一种地源热泵控制方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种地源热泵控制方法及系统。该地源热泵控制方法包括：获取多个预设时间段的历史时刻的温室温度值；根据所述多个历史时刻的温室温度值和温室温度灰色预测模型获取温室温度的预测值；根据所述温室温度的预测值和给定温度获取所述地源热泵的频率控制值；根据所述频率控制值调整所述地源热泵的频率。本发明提供的地源热泵控制方法及系统，利用温室温度的预测值代替实时温度值作为控制器输入的一部分，实现了事前控制，与传统满负荷运行控制地源热泵启停次数和调节阀门流量来实现温室温度控制相比减少了机组损耗，灰色预测较好地拟合了温室温度变化趋势，节约了能源。
【专利说明】
一种地源热泵控制方法及系统
技术领域
[0001] 本发明涉及变频控制技术领域，尤其涉及一种地源热栗控制方法及系统。
【背景技术】
[0002] 地源热栗系统利用清洁的可再生能源，对环境无污染，而且高效节能，属于绿色环 保技术和装置。实验结果表明，地源热栗控制系统要比电锅炉加热节省2/3以上的电能，比 燃料锅炉节省约1/2的能量;地源热栗的制冷、制热系数达3.5~4.4，与传统的空气源热栗 相比，高出40%左右，而运行费用为普通中央空调的50%~60%。在目前的地源热栗系统 中，很多设计并不够合理，没有变工况调节功能，导致一直处于满负荷工作状态，浪费能源。
[0003] 现有的地源热栗控制方法主要有两类:第一类根据不同的负荷需求靠调节阀门来 进行流量、温度等的控制。但这种控制方式存在启动电流大、机械冲击大、电气保护特性差 等缺点。第二类对热栗通过PID进行变频控制，还有引入模糊规则对PID进行改进，利用模糊 规则修改PID系数;或者引入遗传算法、神经网络等对模糊控制的隶属函数和控制规则集进 行改进。但以上控制方式都属于事后控制，根据当前温度和给定温度决定下一步的控制量。 由于室内温度存在大惯性和非线性等特点，上述事后控制不能预测未来温度变化趋势、提 前做出控制决策，造成一定程度上能源的浪费。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是:现有的地源热栗控制方法机械冲击大、变频控制 不准确的问题。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明提出了如下技术方案：
[0006] -种地源热栗控制方法，包括：
[0007] 获取多个预设时间段的历史时刻的温室温度值；
[0008] 根据所述多个历史时刻的温室温度值和温室温度灰色预测模型获取温室温度的 预测值；
[0009] 根据所述温室温度的预测值和给定温度获取所述地源热栗的频率控制值；
[0010] 根据所述频率控制值调整所述地源热栗的频率。
[0011] 可选地，所述获取多个预设时间段的历史时刻的温室温度值包括：
[0012] 获取多个预设时间段的历史时刻的温室温度值，根据等维新息模型对所述多个历 史时刻对应的温室温度值进行更新。
[0013] 可选地，所述根据所述多个历史时刻的温室温度值和温室温度灰色预测模型获取 温室温度的预测值包括：
[0014] 所述多个历史时刻的温室温度值的列向量为
[0015] Χ0=(χ(0)(1),χ(0)(2),···,Χ(〇)(η)) τ,η^4；
[0016] 对所述多个历史时刻的温室温度值累加得
[0017]父1 = (^1)(1)夕1)(2)，."夕1)(11))\11多4;用线性动态模型对父 1进行拟合和逼近， 建立温室温度灰色预测模型，获取温室温度的预测值；
[0018] 其中，x((3)(n)为第η个历史时刻的温室温度值;T为矩阵转置;x(1)(n)为对前η个历 史时刻的的温室温度值的累加结果，
[0019] 1=1
[0020] 可选地，所述根据所述温室温度的预测值和给定温度获取所述地源热栗的频率控 制值包括：
[0021]
[0022]
[0023]
[0024]
[0025]
[0026] 其中，为下一时刻温度预测值，f为地源热栗工作频率值，34&为系统设 定的温度上限值，xlin为系统设定的温度下限值。
[0027] 一种地源热栗控制系统，包括：
[0028] 温室温度值获取单元，用于获取多个预设时间段的历史时刻的温室温度值；
[0029] 温度预测值获取单元，用于根据所述多个历史时刻的温室温度值和温室温度灰色 预测模型获取温室温度的预测值；
[0030] 频率控制值获取单元，用于根据所述温室温度的预测值和给定温度获取所述地源 热栗的频率控制值；
[0031] 频率调整单元，用于根据所述频率控制值调整所述地源热栗的频率。
[0032] 可选地，所述温室温度值获取单元，进一步用于获取多个预设时间段的历史时刻 的温室温度值，根据等维新息模型对所述多个历史时刻对应的温室温度值进行更新。
[0033] 可选地，所述温度预测值获取单元，进一步用于对所述多个历史时刻的温室温度 值累加得
[0034] …，χ(1)(η))τ，η多4;用线性动态模型对X 1进行拟合和逼近， 建立温室温度灰色预测模型，获取温室温度的预测值；
[0035] 其中，所述多个历史时刻的温室温度值的列向量为#=&(())(1)^(())(2)，~0 (()) (η))τ，η彡4;χ(())(η)为第η个历史时刻的温室温度值;Τ为矩阵转置;χ (1)(η)为对前η个历史 时刻的的温室温度值的累加结果
[0036] 可选地，所述频率控制值获取单元，进一步用于
[0037]
；
[0038]
[0042] 其中，xW(yt + 1)为下一时刻温度预测值，f为地源热栗工作频率值，为系统设定
[0039]
[0040]
[0041] 的温度上限值，χ?ιωι为系统设定的温度下限值。
[0043] 一种地源热栗控制系统，包括：
[0044] 上位机、下位机、温度变送器、变频器和地源热栗；
[0045] 所述温度变送器用于采集温室温度，并将所述温室温度发送至所述下位机；
[0046] 所述下位机用于将接收到的温室温度发送至所述上位机；
[0047] 所述上位机用于根据多个预设时间段的历史时刻的温室温度值和温室温度灰色 预测模型获取温室温度的预测值，并根据所述温室温度的预测值和给定温度获取所述地源 热栗的频率控制值；
[0048] 所述变频器用于根据所述频率控制值调整所述地源热栗的频率。
[0049] 本发明提供的地源热栗控制方法及系统，利用温室温度的预测值代替实时温度值 作为控制器输入的一部分，实现了事前控制，与传统满负荷运行控制地源热栗启停次数和 调节阀门流量来实现温室温度控制相比减少了机组损耗，灰色预测较好地拟合了温室温度 变化趋势，节约了能源。
【附图说明】
[0050] 通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理 解为对本发明进行任何限制，在附图中：
[0051] 图1示出了本发明一个实施例的地源热栗控制方法的流程示意图；
[0052]图2示出了本发明地源热栗控制方法的原理示意图；
[0053]图3示出了本发明一个实施例的地源热栗控制系统的结构示意图；
[0054]图4示出了本发明一个实施例的地源热栗控制系统的架构示意图；
[0055] 图5示出了本发明一个实施例的地源热栗控制系统中上位机的界面示意图；
[0056] 图6示出了未采用地源热栗控制方法的变频器的工作频率；
[0057]图7示出了本发明一个实施例的地源热栗控制方法的变频器的工作频率。
【具体实施方式】
[0058] 下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。
[0059] 图1示出了本发明一个实施例的的流程示意图。如图1所示，该实施例的方法，包 括：
[0060] S11:获取多个预设时间段的历史时刻的温室温度值；
[0061] S12:根据所述多个历史时刻的温室温度值和温室温度灰色预测模型获取温室温 度的预测值；
[0062] S13:根据所述温室温度的预测值和给定温度获取所述地源热栗的频率控制值；
[0063] S14:根据所述频率控制值调整所述地源热栗的频率。
[0064] 本实施例的地源热栗控制方法，利用温室温度的预测值代替实时温度值作为控制 器输入的一部分，实现了事前控制，与传统满负荷运行控制地源热栗启停次数和调节阀门 流量来实现温室温度控制相比减少了机组损耗，灰色预测较好地拟合了温室温度变化趋 势，节约了能源。
[0065]图2示出了本发明地源热栗控制方法的原理示意图。如图2所示，对温室温度进行 采样X，输入到灰色预测模块中建立模型，经计算后输出温度预测序列i，然后与输入目标温 度，进行比较，得到需要的控制量11，从而控制地源热栗，使系统未来输出的X值满足要求。
[0066] 在一种可选的实施方式中，所述获取多个预设时间段的历史时刻的温室温度值包 括：
[0067] 获取多个预设时间段的历史时刻的温室温度值，根据等维新息模型对所述多个历 史时刻对应的温室温度值进行更新。
[0068] 由于研究对象是不断发展变化的，虽然系统的历史信息对研究系统有一定的作 用，但与预测时间更接近的新息(新信息)对研究系统的特性更有价值，因此，可以不断将新 息数据充实到原始序列中建立GM(1，1)模型。同时，为避免模型趋于庞大影响系统计算量， 在补充一个新息的同时，去掉一个老数据，保持序列维数不变，由此建立的GM(1，1)模型称 为等维新息GM(1，1)模型。
[0069]例如，若某一时刻的数据序列为：
[0070] Χ0= (χ(0)(1)，χ(0)(2)，…，χ(0)(η))τ;
[0071 ]则下一采样时刻的数据序列变为：
[0072] Χ0= (χ(0)(2)，χ(0)(3)，…，χ(0)(η+1))τ。
[0073] 进一步地，所述根据所述多个预设时间段的历史时刻的温室温度值和温室温度灰 色预测模型获取温室温度的预测值包括：
[0074] 所述多个历史时刻的温室温度值的列向量为
[0075] Χ0=(χ(0)(1),χ(0)(2),···,Χ (〇)(η))Τ,η^4；
[0076] 对所述多个历史时刻的温室温度值累加得
[0077] …，χ(1)(η))τ，η多4;用线性动态模型对X1进行拟合和逼近， 建立温室温度灰色预测模型，获取温室温度的预测值；
[0078]其中，χ(()) (η)为第η个历史时刻的温室温度值;Τ为矩阵转置;χ(1) (η)为对前η个历 史时刻的的温室温度值的累加结果，
[0079]
[0080]需要说明的是，在灰色系统理论中，称抽象系统的逆过程（由系统的行为确定模 型)为灰色模型，亦称GM。通常GM表示为GM(M，N)表示，Μ表示模型方程的阶数，Ν代表模型方 程变量的个数。一般来说，计算量随着Μ和Ν的增大而呈指数增长;但是预测精度并不一定提 尚。
[0081 ] 温室温度灰色预测模型GM( 1，1)的建立过程如下：
[0082] 设由传感器测得的温度数据列向量为
[0083] Χ0=(χ(0)(1),χ(0)(2),···,Χ(〇)(η)) Τ,η^4 (1)
[0084] 式中上标0表示该数据为原始数据，η为原始数据的序号，Τ为矩阵转置。
[0085]对原始数据序列进行累加处理得
[0086] Χ1= (X⑴（1)，χ⑴（2)，…，χ⑴（n) )T，n^4 (2)
[0087]
[0088] 上标1表示一次累加生成得到。
[0089] 对原始数据的累加，是为了弱化系统中随机干扰对所测温度信号的影响。
[0090] 用线性动态模型对生成的累加数据进行拟合和逼近，其形式为：
[0091]
[0092] 其中a、u为需要通过建模来得到的参数。a为发展系数，u为灰色作用量。
[0093] (3)忒的魅为
[0094]
[0095] 式中t代表某一时刻;to为初始时刻。
[0096]对其等间隔取样，离散值则为
[0097]
[0098]式中k为第k个离散点。
[0099] 微分方程的系数a、u可用最小二乘法求出，其向量形式为：
[0100]
[0101] γ=[χ(0)(2)，χ(0)(3)，…，x(0)(n)]T (8)
[0102]
中X(1)(t)为由原始数据生成的一阶累加数 据；
[0103] 得到，
[0104] 式中+ 为根据微分方程计算的一阶累加数据。
[0105] 按照^α. +丨} = Ym(A. +丨} - S'幻累减生成还原，计算后得到预测数据。
[0106]
[0107] 利用饿测值_γ # + 1)作为糸统反馈，参与系统控制决策。
[0108] 进一步地，所述根据所述温室温度的预测值和给定温度获取所述地源热栗的频率 控制值包括：
[0109]
[0110]
[0111]
[0112]
[0113]
[0114] 其中，X(UI0 + ρ为下一时刻温度预测值，f为地源热栗工作频率值，jCc为系统设定 的温度上限值，为系统设定的温度下限值。
[0115] 图3示出了本发明一个实施例的地源热栗控制系统的结构示意图。如图3所示，该 实施例的地源热栗控制系统，包括：
[0116] 温室温度值获取单元31，用于获取多个预设时间段的历史时刻的温室温度值；
[0117] 温度预测值获取单元32,用于根据所述多个历史时刻的温室温度值和温室温度灰 色预测模型获取温室温度的预测值；
[0118] 频率控制值获取单元33，用于根据所述温室温度的预测值和给定温度获取所述地 源热栗的频率控制值；
[0119] 频率调整单元34,用于根据所述频率控制值调整所述地源热栗的频率。
[0120] 进一步地，所述温室温度值获取单元，具体用于获取多个预设时间段的历史时刻 的温室温度值，根据等维新息模型对所述多个历史时刻对应的温室温度值进行更新。
[0121] 进一步地，所述温度预测值获取单元，具体用于对所述多个预设时间段的历史时 刻的温室温度值累加得
[0122] …，χ(1)(η))τ，η彡4;用线性动态模型对X 1进行拟合和逼近， 建立温室温度灰色预测模型，获取温室温度的预测值；
[0123] 其中，所述多个历史时刻的温室温度值的列向量为#=&(())(1)^(())(2)，~0 (()) (η))τ，η彡4;χ(())(η)为第η个历史时刻的温室温度值;Τ为矩阵转置;χ (1)(η)为对前η个历史
[0125] 时刻的的温室温度值的累加结果，
[0124] 所述频率控制值获取单元，进一步用于
[0126]
[0127]
[0128]
[0129]
[0130] 其中，x~(yt + 1)为下一时刻温度预测值，f为地源热栗工作频率值，为系统设定 的温度上限值，为系统设定的温度下限值。
[0131] 本实施例所述的地源热栗控制系统可以用于执行上述方法实施例，其原理和技术 效果类似，此处不再赘述。
[0132] 图4示出了本发明一个实施例的地源热栗控制系统的架构示意图。如图4所示，该 实施例的地源热栗控制系统包括：
[0133] 上位机41、下位机42、温度变送器43、变频器44和地源热栗45;
[0134] 温度变送器43用于采集温室温度，并将所述温室温度发送至42下位机；
[0135] 下位机42用于将接收到的温室温度发送至上位机41;
[0136] 上位机41用于根据多个预设时间段的历史时刻的温室温度值和温室温度灰色预 测模型获取温室温度的预测值，并根据所述温室温度的预测值和给定温度获取所述地源热 栗的频率控制值；
[0137] 变频器44用于根据所述频率控制值调整地源热栗45的频率。
[0138] 图5示出了本发明一个实施例的地源热栗控制系统中上位机的界面示意图。如图5 所示，以北京市海淀区上庄翠湖农庄连栋温室为实验对象，电脑作为上位机，使用Visual Basic编写上位机软件。上限温度设定温室温度上限值，当实时温度高于上限温度时，地源 热栗机组停止工作。下限温度设定温室温度下限值，当实时温度低于下限温度时，地源热栗 启动。实时温度显示当前温室温度，运行频率显示当前地源热栗工作频率，开始按钮启动此 地源热栗控制系统。
[0139] 在未变频改造前，系统以满负荷状态运行，设定控制系统温度下限为5 °C，温度上 限为7°C，以半小时为采样时间，记录地源热栗变频器工作频率，如图6所示。
[0140]引入温度灰色预测进行变频改造，设定控制系统温度下限为5°C，温度上限为7°C， 以半小时为采样时间，记录地源热栗变频器工作频率，如图7所示。
[0141] 由图6和图7的对比可知，本发明的地源热栗控制方法及系统，更智能调节变频器 的功率，节约了能源。
[0142] 本发明提供的地源热栗控制方法及系统，利用温室温度的预测值代替实时温度值 作为控制器输入的一部分，实现了事前控制，与传统满负荷运行控制地源热栗启停次数和 调节阀门流量来实现温室温度控制相比减少了机组损耗，灰色预测较好地拟合了温室温度 变化趋势，节约了能源。
[0143]虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发 明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求 所限定的范围之内。
【主权项】
1. 一种地源热累控制方法，其特征在于，包括： 获取预设时间段的多个历史时刻的溫室溫度值； 根据所述多个历史时刻的溫室溫度值和溫室溫度灰色预测模型获取溫室溫度的预测 值； 根据所述溫室溫度的预测值和给定溫度获取所述地源热累的频率控制值； 根据所述频率控制值调整所述地源热累的频率。2. 根据权利要求1所述的地源热累控制方法，其特征在于，所述获取预设时间段的多个 历史时刻的溫室溫度值包括： 获取预设时间段的多个历史时刻的溫室溫度值，根据等维新息模型对所述多个历史时 刻对应的溫室溫度值进行更新。3. 根据权利要求1所述的地源热累控制方法，其特征在于，所述根据所述多个历史时刻 的溫室溫度值和溫室溫度灰色预测模型获取溫室溫度的预测值包括： 所述多个历史时刻的溫室溫度值的列向量为 Χ〇=(χ(〇)α)，χ(〇)(2)，. . .，χ(〇)(η))τ，η>4; 对所述多个历史时刻的溫室溫度值累加得 χ? = (χω(1)，χ<"(2)，. . .，χ<"(η))τ，η>4;用线性动态模型对χ?进行拟合和逼近， 建立溫室溫度灰色预测模型，获取溫室溫度的预测值； 其中，xW(n)为第η个历史时刻的溫室溫度值;Τ为矩阵转置;xW(n)为对前η个历史时 刻的的溫室溫度值的累加结果，4. 根据权利要求1所述的地源热累控制方法，其特征在于，所述根据所述溫室溫度的预 测值和给定溫度获取所述地源热累的频率控制值包括：其中，为下一时刻溫度预测值，f为地源热累工作频率值，义胃为系统设定的溫 度上限值，.τ胃为系统设定的溫度下限值。5. -种地源热累控制系统，其特征在于，包括： 溫室溫度值获取单元，用于获取多个预设时间段的历史时刻的溫室溫度值； 溫度预测值获取单元，用于根据所述多个历史时刻的溫室溫度值和溫室溫度灰色预测 模型获取溫室溫度的预测值； 频率控制值获取单元，用于根据所述溫室溫度的预测值和给定溫度获取所述地源热累 的频率控制值； 频率调整单元，用于根据所述频率控制值调整所述地源热累的频率。6. 根据权利要求5所述的地源热累控制系统，其特征在于，所述溫室溫度值获取单元， 进一步用于获取多个预设时间段的历史时刻的溫室溫度值，根据等维新息模型对所述多个 历史时刻对应的溫室溫度值进行更新。7. 根据权利要求5所述的地源热累控制系统，其特征在于，所述溫度预测值获取单元， 进一步用于对所述多个历史时刻的溫室溫度值累加得 χ?=(χ(ι)(1)，χ(ι)(2), · · ·，χ(ι)(η))τ,η>4; 用线性动态模型对χ?进行拟合和逼近，建立溫室溫度灰色预测模型，获取溫室溫度的预 测值； 其中，所述多个历史时刻的溫室溫度值的列向量为)(*^=^^(1)，义^(2)，. . .，xW (n))T，n>4;xW(n)为第η个历史时刻的溫室溫度值;T为矩阵转置;χω(η)为对前η个历史 时刻的的溫室溫度值的累加结果8. 根据权利要求5所述的地源热累控制系统，其特征在于，所述频率控制值获取单元， 进一步用于^中，/为下一日寸亥I媪度预测值，f姑也源热累。仁频率值，为系、统设剧勺溫 度上限值，为系统设定的溫度下限值。9. 一种地源热累控制系统，其特征在于，包括： 上位机、下位机、溫度变送器、变频器和地源热累； 所述溫度变送器用于采集溫室溫度，并将所述溫室溫度发送至所述下位机； 所述下位机用于将接收到的溫室溫度发送至所述上位机； 所述上位机用于根据多个预设时间段的历史时刻的溫室溫度值和溫室溫度灰色预测 模型获取溫室溫度的预测值，并根据所述溫室溫度的预测值和给定溫度获取所述地源热累 的频率控制值； 所述变频器用于根据所述频率控制值调整所述地源热累的频率。
【文档编号】F25B49/00GK105937823SQ201610200872
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年3月31日
【发明人】陈飞, 陈一飞, 吴曼玲, 李琦, 尹鸿苇, 王聃
【申请人】中国农业大学