一种湿负荷未知情况下的空气处理机组控制方法及系统

技术领域

本发明涉及空气处理机组控制技术领域，尤其涉及一种湿负荷未知情况下的空气处理机组控制方法及系统。

背景技术

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。

暖通空调系统已广泛应用于现代建筑中，以改善室内空气质量。目前，建筑能耗约占全球能耗的40％左右，暖通空调系统占建筑能耗的50％以上。空气处理机组是暖通空调系统的末端与室内接触的部分，可以对室内温度与湿度进行调节。一个良好的空气处理机组控制策略不仅可以实现室内温湿度的控制，同时对于节能减排也有着重要意义。

空气处理机组是一个典型的多输入多输出系统，具有很强的耦合性以及非线性，传统的开关控制、PID控制目前是空气处理机组最常用的控制方法，但是其控制误差大，不能及时对室内温湿度以及二氧化碳浓度进行调节，从而导致室内热舒适性差。同时由于室内人员流动性大以及对室内环境的多变性导致室内湿负荷通常是未知的，不确定的，普通的控制方式不能实现空气处理机组良好的控制，因此设计一种在湿负荷未知情况下能够对空气处理机组进行温湿度和二氧化碳的精准控制的方法尤为重要。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种湿负荷未知情况下的空气处理机组控制方法及系统，通过对空气处理机组的特性进行动态分析，建立合适的物理模型，设计控制器，最终实现室内温湿度以及二氧化碳浓度的控制，解决室内湿负荷不确定情况下的空气处理机组控制问题。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明第一方面提供了一种湿负荷未知情况下的空气处理机组控制方法，包括以下步骤：

根据空气处理机组的工作过程确定室内环境的影响参数；

结合室内环境的影响参数依据热动力学规律和物理学定律，对空气处理机组进行建模，得到空气处理机组模型；

对空气处理机组模型引入增益系数处理相关未知参数；并根据处理后的空气处理机组模型设计控制器；

依据控制器中控制输入与相关参数的关系，调节控制输入大小，进而实现对室内温湿度以及二氧化碳浓度的控制。

进一步的，空气处理机组包括风阀、控制阀、过滤器、冷却盘管、除湿装置和供回风风机。

进一步的，室内环境的影响参数包括室内温度、送风温度、室外温度、送风流量、冷水流量、室内湿度、送风湿度、新风比、二氧化碳产生量、室外湿度、室内负载、湿负荷、空气比热、水比热、室内面积、机组面积、二氧化碳浓度和进回水温差。

进一步的，对空气处理机组模型引入增益系数处理相关未知参数；并根据处理后的空气处理机组模型设计控制器的具体步骤为：

根据空气处理机组模型设置期望湿度、期望二氧化碳浓度和期望温度；

引入增益系数并根据期望湿度、期望二氧化碳浓度和期望温度构建状态方程；

根据状态方程求解状态变量从而实现控制器设计。

更进一步的，通过反步法引入李雅普诺夫函数，以逐步的方式求解状态方程的状态变量来设计控制器。

更进一步的，根据湿负荷的不确定性对湿负荷变化进行假设得到湿负荷的上下限，根据湿负荷的上下限对空气处理机组模型进行约束；

更进一步的，根据对湿负荷变化的假设和李雅普诺夫稳定性定理对控制器的控制效果进行验证。

本发明第二方面提供了一种湿负荷未知情况下的空气处理机组控制系统，包括：

影响因素模块，被配置为根据空气处理机组工作过程确定室内环境的影响参数；

模型建立模块，被配置为结合室内环境的影响参数依据热动力学规律和物理学定律，对空气处理机组进行建模，得到空气处理机组模型；

控制器设计模块，被配置为对空气处理机组模型引入增益系数处理相关未知参数；并根据处理后的空气处理机组模型设计控制器；

控制模块，被配置为依据控制器中控制输入与相关参数的关系，调节控制输入大小，进而实现对室内温湿度以及二氧化碳浓度的控制。

本发明第三方面提供了一种介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的湿负荷未知情况下的空气处理机组控制方法中的步骤。

本发明第四方面提供了一种设备，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程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明第一方面所述的湿负荷未知情况下的空气处理机组控制方法中的步骤。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

本发明提供了一种湿负荷未知情况下的空气处理机组控制方法，用以解决室内湿负荷不确定情况下的空气处理机组控制问题。该方法首先对空气处理机组的特性进行动态分析，依据其特征建立合适的物理模型；对模型进行状态变换，定义输入输出以及状态变量，构造成适合反步法设计的数学模型形式；引入增益系数处理相关未知参数，通过改进反步法，逐步选取合适的李雅普诺夫函数，设计控制器，同时对闭环系统进行稳定性证明，实现了在湿负荷位置情况下对室内温湿度以及二氧化碳浓度的控制。

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。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例一中湿负荷未知情况下的空气处理机组控制方法的流程图；

图2为本发明实施例一中空气处理机组结构图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

实施例一：

本发明实施例一提供了一种湿负荷未知情况下的空气处理机组控制方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：根据空气处理机组的工作过程确定室内环境的影响参数；

步骤2：结合室内环境的影响参数依据热动力学规律和物理学定律，对空气处理机组进行建模，得到空气处理机组模型；

步骤3：对空气处理机组模型引入增益系数处理相关未知参数；并根据处理后的空气处理机组模型设计控制器；

步骤4：利用控制器控制空气处理机组对室内温湿度和二氧化碳浓度进行调控。具体的，依据控制器中控制输入与相关参数的关系，调节控制输入大小，进而实现对室内温湿度以及二氧化碳浓度的控制。

步骤1中，空气处理机组包括风阀、控制阀、过滤器、冷却盘管、除湿装置和供回风风机，具体结构如图2所示。暖通空调在夏季向空气处理机组供应冷冻水，冬季供应热水，通过换热器分别向房间内提供冷风和热风。并且经过除湿线圈提供舒适的湿度，通过控制阀调节新风比例来改善室内二氧化碳浓度，最终使得室内保持良好的热舒适性。

室内环境的影响参数包括室内温度、送风温度、室外温度、送风流量、冷水流量、室内湿度、送风湿度、新风比、二氧化碳产生量、室外湿度、室内负载、湿负荷、空气比热、水比热、室内面积、机组面积、二氧化碳浓度和进回水温差。

步骤2中，根据上述室内环境的影响参数，通过分析空气处理机组整体工作过程以及影响室内环境的相关因素，依据热动力学规律和物理学定律，对空气处理机组进行建模如公式(1)所示：

其中，T

公式(1)表示空气处理机组的动态模型，定义状态变量x

x

u

y

因此，系统的物理模型可以被重新简化为:

为简化模型，引入α

空气处理机组系统模型相关参数均为物理参数，均有实际意义，不存在参数为零情况，因此α

步骤3中，对空气处理机组模型引入增益系数处理相关未知参数；并根据处理后的空气处理机组模型设计控制器的具体步骤为：

根据空气处理机组模型设置期望湿度、期望二氧化碳浓度和期望温度；

引入增益系数并根据期望湿度、期望二氧化碳浓度和期望温度构建状态方程；

根据状态方程求解状态变量从而实现控制器设计。

更为具体的，空气处理机组控制的目的是通过调节控制输入u

根据湿负荷的不确定性对湿负荷变化进行假设得到湿负荷的上下限，根据湿负荷的上下限对空气处理机组模型进行约束。由于室内环境的变化导致室内湿负荷的不确定性，但是湿负荷变化是有一定范围的，因此作如下假设：存在正常数M

其中，为了使状态变量x

结合公式(3)和(4)状态方程变换为公式(5)。

通过反步法引入李雅普诺夫函数，以逐步的方式求解状态方程的状态变量来设计控制器。控制器与空气处理机组形成闭环系统。针对湿负荷未知情况，引入高增益来处理未知量。反步控制法又称为反演控制法，如该控制方法的名字一般，将高阶系统分解成多个一阶系统。将下一级的变量当做虚拟输入，作用在该一级系统上，同时根据上一级系统建立李雅普诺夫函数，实现系统稳定。直到最后一个系统实现控制，得到输入量。保证在任何情况下，存在李雅普诺夫函数，使得该体统能够稳定，同时利用该函数找一个参考输入，最终实现对输入的推导和设计。本实施例对反步法进行改进，从而设计使闭环系统稳定运行的控制器，具体过程包括：

S1：考虑状态变量z

首先，处理上述方程右边的第一项。

/>

引入增益L用于处理系统未知参数，通过结合公式(7)，选择合适的L值，抵消未知参数对系统控制的影响。

其中ε>0是一个很小的常数，依据控制目标进行调节，可得：

设计输入信号u

其中k

S2：对于第二个状态变量z

通过公式(5)化简为：

设计输入信号u

其中k

S3:对于第三个状态变量z

为了简化计算，定义

/>

对V

处理上述不等式右边的第四项为：

可得方程：

引入虚拟控制信号δ：

其中k

定义ψ＝z

S4：对于第四个状态变量z

为了简化计算，定义：

则：

公式(22)变换为：

设计控制器u

其中k

步骤4中，利用控制器控制空气处理机组对室内温湿度和二氧化碳浓度进行调控。根据对湿负荷变化的假设和李雅普诺夫稳定性定理对控制器的控制效果进行验证。

具体的，保证闭环系统的稳定性，选择控制参数k

令k＝min{k

因此，

由于，

可得：

ε是一个足够小的正常数，则闭环系统的状态接近一个非常小的值，如果ε→0，可得

实施例二：

本发明实施例二提供了一种湿负荷未知情况下的空气处理机组控制系统，包括：

影响因素模块，被配置为根据空气处理机组工作过程确定室内环境的影响参数；

模型建立模块，被配置为结合室内环境的影响参数依据热动力学规律和物理学定律，对空气处理机组进行建模，得到空气处理机组模型；

控制器设计模块，被配置为对空气处理机组模型引入增益系数处理相关未知参数；并根据处理后的空气处理机组模型设计控制器；

控制模块，被配置为依据控制器中控制输入与相关参数的关系，调节控制输入大小，进而实现对室内温湿度以及二氧化碳浓度的控制。

实施例三：

本发明实施例三提供了一种介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本发明实施例一所述的湿负荷未知情况下的空气处理机组控制方法中的步骤，所述步骤为：

根据空气处理机组的工作过程确定室内环境的影响参数；

结合室内环境的影响参数依据热动力学规律和物理学定律，对空气处理机组进行建模，得到空气处理机组模型；

对空气处理机组模型引入增益系数处理相关未知参数；并根据处理后的空气处理机组模型设计控制器；

利用控制器控制空气处理机组对室内温湿度和二氧化碳浓度进行调控。

详细步骤与实施例一提供的湿负荷未知情况下的空气处理机组控制方法相同，这里不再赘述。

实施例四：

本发明实施例四提供了一种设备，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程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明实施例一所述的湿负荷未知情况下的空气处理机组控制方法中的步骤，所述步骤为：

根据空气处理机组的工作过程确定室内环境的影响参数；

结合室内环境的影响参数依据热动力学规律和物理学定律，对空气处理机组进行建模，得到空气处理机组模型；

对空气处理机组模型引入增益系数处理相关未知参数；并根据处理后的空气处理机组模型设计控制器；

利用控制器控制空气处理机组对室内温湿度和二氧化碳浓度进行调控。

详细步骤与实施例一提供的湿负荷未知情况下的空气处理机组控制方法相同，这里不再赘述。

以上实施例二、三和四的中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本发明中的任一方法。

本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。