一种暖通空调控制策略自动预检验方法与流程

本发明涉及暖通空调控制策略预检技术领域，特别是涉及一种暖通空调控制策略自动预检验方法。

背景技术：

随着信息技术的进步，仿真技术在研究分析中央空调系统性能和辅助空调系统设计领域已经被越来越广泛的应用。如目前对于包含设备种类较多，形式复杂的空调系统，多采用trnsys、modelica、flowmaster等仿真软件进行空调系统的模拟，以力求接近设备的实际性能。

然而，对于中央空调控制系统的仿真过程中，往往存在以下两类问题：

一是自动控制系统计算的复杂性：暖通空调系统仿真是水力(流量控制)和热力(能量控制)的耦合计算过程，自动控制的设计需要考虑这种系统的耦合特性，因此大部分软件存在计算上的偏差。

二是控制策略中参数设定的复杂性：控制策略的输入涉及到大量的参数及控制过程的设定，往往会产生一定的人工纰漏，不能通过自动的方式检测出来。

仿真软件控制策略的设定虽然能够一定程度上保证整个系统仿真有效，但软件自身的计算问题和人为输入的误差无法通过软件自身进行检验，从而降低了软件的使用效率和正确性。

因此针对于这种控制策略信息可能存在的矛盾或误差问题，需要进行有效的检验，从而提前进行判断，提高软件仿真的性能。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术中的问题，而提供一种暖通空调控制策略自动预检验方法,为能够以实际仿真系统本身可能存在的矛盾和人为输入的矛盾为基础，得到一种自洽性矛盾冲突的预检验方法。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种暖通空调控制策略自动预检验方法，包括步骤：

步骤1：暖通空调系统的物理形式描述

本发明基于图论的概念，将系统中的各类设备转化为多个“节点”，将系统中具体的管路连接关系转化为明确的“边”，从而直观地表述系统内部的拓扑连接关系以及信息交互的情况。在暖通空调系统中，令

x＝{xi|xi∈x}(1)

式中xi(i＝1,2,…,n,n≥2)代表该系统中包含的所有设备，x为所有设备的集合。当设备之间存在连接关系r时，且xi∈x,xj∈x时，不同设备之间的相关关系可以表述为：

xi＝r(xj)(2)

即整个系统s由具有r连接关系的集合x表示：

s＝{s|r}(3)

暖通空调系统中设备的连接方式往往是通过管路进行连接，具有明显的方向性，因此借鉴图论中的有向图理论进行进一步表述。将暖通空调系统的系统形式抽象为有向图，表示方法如式(4)所示：

g＝(r,x')(4)

式中，x′＝{x′1,x′2,...,x′m}称为图的有向边，物理意义为设备之间的连接关系，其中m为总的有向边的数量。当流体介质从设备xi流向设备xj时，xi称为有向边x’的起点或尾，xj被称为终点或头。

对于上述包含n个设备的有向图，可利用n×n阶的邻接矩阵a进行表示，如式(5)所示，元素aij的定义如式(6)所示：

步骤2：暖通空调系统控制策略数学描述

本发明将复杂的控制逻辑简化为三个要素：控制对象、被控对象以及两者之间的控制关系。

控制关系即为暖通空调系统中控制对象和被控对象之间的控制策略，可以通过式(7)进行表示：

t′＝f(s′)(7)

式中，t’为被控对象的集合，s’为控制对象的集合，f为控制策略的集合。控制对象和被控对象的物理意义分别为暖通空调系统控制策略中不同设备的控制参数和被控参数。

基于上述控制策略的数学表达方式，需要对每一条控制策略进行存储从而便于计算机读取。由于暖通空调系统控制策略当中，包含三个关键要素：控制对象、被控对象和控制策略，因此本发明借鉴三元组的概念对控制策略进行表示，如式(8)所示。如果第i条控制策略中，si与ti存在连接关系，则可以表示为式(9)所示。

gi＝(si,ti,fi),i≤m(8)

ci＝connectioni(si,ti)(9)

式中，si∈s′，表示控制对象的控制变量；ti∈t′，表示被控对象的被控变量；fi∈f，表示某一条控制策略；m为控制策略总数；connectioni(si,ti)表示第i个控制量(si)与被控量(ti)之间存在连接关系。

该三元组采用m×3阶的矩阵d进行存储，每一行为一个三元组，m行用于表示m条控制策略的三元组，其表示形式如下式：

步骤3：控制系统潜在矛盾分类

本发明对暖通空调控制系统仿真中可能产生的控制策略矛盾进行了分类梳理。

首先根据矛盾来源的不同，分为不同控制策略之间的逻辑问题和每一条控制策略中的控制参数问题，并从中推导出6类具体的子矛盾，分别用p1～p3和p4～p6表示，如表1所示。

为了对潜在矛盾进行更加详细的阐述，在表中以实际控制策略矛盾进行了补充举例说明。

表1控制策略的矛盾类型

对第i条控制策略的检验结果分两种情况，表示方法如式(11)所示。

式中，j表示当检验第x类矛盾px时，用right(fi,px)表示逻辑正确，conflict(fi,px)表示逻辑存在冲突。

步骤4：基于系统形式和分类结果的自动检验

基于以上控制策略的数学描述和分类，利用vb语言进行编译。表2所示为基于专家知识库的逻辑判断规则，对p1～p6矛盾类型进行自动检验的方法。

表2自洽性检验判定规则

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明提出的空调仿真系统自动控制策略自洽性检验方法，创新性地分析了空调系统控制仿真的自洽性冲突的产生原因和过程，能够对存在的自洽性冲突进行合理的分类；

2.本发明利用建立的控制系统的数学描述模型，能够将矛盾冲突的抽象问题转化为简洁明了的数学逻辑问题，可通过编写vb计算机程序进行自动检验，可根据不同的仿真问题进行进一步的扩充和完善。

3.本发明与现有仿真软件中报错机制比较，可以实现在仿真过程开始之前，通过快速、直接的方式对潜在冲突的类型、原因及位置做出预检验判断，这将大大减少使用者在仿真过程中的纠错时间。

附图说明

图1是本发明提供的暖通空调控制策略自动预检验方法流程图。

图2是本发明实施例中系统物理形式示意图。

图3是本发明实施例中系统物理形式的有向图表示。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参考图1，一种空调仿真系统自动控制策略自洽性检验方法，包括步骤：

步骤1：暖通空调系统的物理形式描述

本发明基于图论的概念，将系统中的各类设备转化为多个“节点”，将系统中具体的管路连接关系转化为明确的“边”，从而直观地表述系统内部的拓扑连接关系以及信息交互的情况。在暖通空调系统中，令

x＝{xi|xi∈x}(1)

式中xi(i＝1,2,…,n,n≥2)代表该系统中包含的所有设备，x为所有设备的集合。当设备之间存在连接关系r时，且xi∈x,xj∈x时，不同设备之间的相关关系可以表述为：

xi＝r(xj)(2)

即整个系统s由具有r连接关系的集合x表示：

s＝{s|r}(3)

暖通空调系统中设备的连接方式往往是通过管路进行连接，具有明显的方向性，因此借鉴图论中的有向图理论进行进一步表述。将暖通空调系统的系统形式抽象为有向图，表示方法如式(4)所示：

g＝(r,x')(4)

式中，x′＝{x′1,x′2,...,x′m}称为图的有向边，物理意义为设备之间的连接关系，其中m为总的有向边的数量。当流体介质从设备xi流向设备xj时，xi称为有向边x’的起点或尾，xj被称为终点或头。

对于上述包含n个设备的有向图，可利用n×n阶的邻接矩阵a进行表示，如式(5)所示，元素aij的定义如式(6)所示：

步骤2：暖通空调系统控制策略数学描述

本发明将复杂的控制逻辑简化为三个要素：控制对象、被控对象以及两者之间的控制关系。控制关系即为暖通空调系统中控制对象和被控对象之间的控制策略，可以通过式(7)进行表示：

t′＝f(s′)(7)

式中，t’为被控对象的集合，s’为控制对象的集合，f为控制策略的集合。控制对象和被控对象的物理意义分别为暖通空调系统控制策略中不同设备的控制参数和被控参数。

基于上述控制策略的数学表达方式，需要对每一条控制策略进行存储从而便于计算机读取。

由于暖通空调系统控制策略当中，包含三个关键要素：控制对象、被控对象和控制策略，因此本发明借鉴三元组的概念对控制策略进行表示，如式(8)所示。如果第i条控制策略中，si与ti存在连接关系，则可以表示为式(9)所示。

gi＝(si,ti,fi),i≤m(8)

ci＝connectioni(si,ti)(9)

式中，si∈s′，表示控制对象的控制变量；ti∈t′，表示被控对象的被控变量；fi∈f，表示某一条控制策略；m为控制策略总数；connectioni(si,ti)表示第i个控制量(si)与被控量(ti)之间存在连接关系。

该三元组采用m×3阶的矩阵d进行存储，每一行为一个三元组，m行用于表示m条控制策略的三元组，其表示形式如下式：

步骤3：控制系统潜在矛盾分类

本发明对暖通空调控制系统仿真中可能产生的控制策略矛盾进行了分类梳理。

首先根据矛盾来源的不同，分为不同控制策略之间的逻辑问题和每一条控制策略中的控制参数问题，并从中推导出6类具体的子矛盾，分别用p1-p3和p4-p6表示，如表1所示。

为了对潜在的矛盾进行更详细的阐述，在表中以实际控制策略矛盾进行了补充举例说明。

表3控制策略的矛盾类型

对第i条控制策略的检验结果可分为两种情况，其表示如式(11)所示。

式中，j表示当检验第x类矛盾px时，用right(fi,px)表示逻辑正确，conflict(fi,px)表示逻辑存在冲突。

步骤4：基于系统形式和分类结果的自动检验

基于以上控制策略的数学描述和分类，利用vb语言进行编译。

表2所示为基于专家知识库的逻辑判断规则，对p1-p6矛盾类型进行自动检验的方法。

表4自洽性检验判定规则

实施例：

本发明通过中国北京某写字楼的建筑空调系统，依据现有的仿真策略来验证本发明方法的适用性。

1)系统形式介绍：

案例为北京市某办公写字楼暖通空调水系统，其系统组成如图2所示。采用两台离心式制冷机(ch1/ch2)，每台冷机各配有两台冷却塔(ct1/ct2),冷却水环路各配有一台卧式泵(cwp1/cwp2)。此外，冷冻水侧采用二级泵水系统，包括4台冷冻水泵(chp1～chp4)、分集水器(s/c)和附属用户(u)。所有设备规格按照ashrae90.12016设计，各设备型号规格如表3所示。

表5系统设备参数统计表

2)物理系统形式的表达：

根据案例中的空调系统物理形式转化为有向图，将不同设备抽象为有向图中的节点，节点间的弧表示设备之间的连接关系，进而形成完整的有向图,

进一步的，由于计算机需要通过矩阵的方式读取有向图中的信息，因此在本发明实施例中，通过建立13×13阶的邻接矩阵，将有向图中的信息存储于计算机中，生成的邻接矩阵如上所示。

3)暖通空调系统控制策略的表达：

该案例建筑原设计控制策略描述如表4所示，用于描述专家理论设计情况。基于对下述控制策略的整理，得到包含13条基本控制策略的三元组d1。

式中，qs为冷水机组冷量，on为开启状态，off为关闭状态，tin为冷却塔进水温度，rf为风机转速，rp为水泵转速，△p为末端供回水压差，cco2为室内二氧化碳浓度，θ为新回风比，tas为送风温度，δ为水阀开度，r'f为空调机组内风机转速。

表6原始控制策略描述

为了验证本发明提供方法的可靠性，在上述正常运行的原始控制策略基础上，相关专业人员通过设定表5中的潜在矛盾对方法进行验证。

本发明依据潜在矛盾种类和数量的不同从三个不同的层次设定三类方案(sn)对潜在矛盾进行设定：方案s1有且仅存在一类矛盾，方案s2为所有类别矛盾共存时的检验，方案s3为随机矛盾生成的检验，每次随机产生10个矛盾，随机10次。各方案的具体设定情况如表5所示。基于原始设计控制策略，通过表5得到的三类方案矛盾控制策略三元组描述d2。式中，tsi为冷冻水进水温度，tso为冷冻水出水温度。

表7三类矛盾方案设定描述

式中,tsi为冷冻水入口温度，tso为冷冻水出口温度。

4)暖通空调控制策略的检验结果：

从检验的正确率和执行效率两方面对本发明方法的检验结果进行衡量。其中检验执行效率定义为一次检验完成所需时间，检验正确率(η)定义为能够检验出的矛盾数量与总设定矛盾数量的比值，如式(12)所示：

式中，u为能够检验出的矛盾总数量，v为总设定矛盾数量。

表6为采用在一台使用intelcore(tm)i5-3230hq2.60ghz处理器和4gbram的计算机上检验上述三类情况下的矛盾得到的检验执行效率和检验正确率的结果。对比检验效率指标可以发现，尽管不同方案待检验矛盾的数量不同，检验效率基本没有变化，均保持在0.1ms左右。

说明在本发明设定10以下的矛盾数量时，其检验所需时间基本一致，执行效率均较高，能够满足前期的常规控制策略设计时的检验需求。

表8检验指标统计

*为10次测试运行平均值

对比检验正确率可以发现，不同方案的检验正确率与实际设定的矛盾策略类型有关。方案s1仅存在一类矛盾，该矛盾能够通过表2中判定规则进行矛盾的检验，说明了基于专家知识规则进行判定的有效性。而方案s2中无法进行判定矛盾p3，即当所需检验信息缺失，无法进行有效的校验，导致检验正确率下降。而在方案s3中，为了反映实际建模者控制策略设计情景，随机在p1-p6的6类矛盾中生成了10个矛盾进行校验，发现在总共在十次模拟过程中，其平均检验正确率为95.5％。一方面说明当一次同时存在多个矛盾时，该程序也能够同步对多个矛盾进行检验；另一方面说明，当且仅当p3类型矛盾存在时，由于程序依旧无法进行判断检验，相较于方案s2而言，随机条件下，矛盾p3存在的概率更低，因此其检验正确率高于方案b，也更加接近于实际建模者使用情况。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。

在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。