基于混杂系统的中央空调冷冻水泵控制策略研究

发布时间：2020-05-12 19:12

【摘要】：中央空调能耗是建筑能耗的大户,约占总额的50-60%,在倡导绿色科技与可持续性发展的社会背景下,中央空调成为了建筑中节能减排的重点对象。对中央空调实施有效的节能控制,是工业工程领域的一个重要问题,也是理论研究的热点。研究发现,中央空调冷冻水系统是一类典型的混杂系统,它的节能控制主要以改变水系统的流量为手段,通过水泵群的变流量与投切动作实现,体现了在以最小能耗为目标下的连续动态特征与离散动态特征。而根据冷量需求的变化,实时的调整冷冻水系统的流量,可以有效地实现水泵群的电能节约。因此基于混杂系统的冷冻水系统的建模与节能控制策略具备很强的针对性,冷冻水系统存在的非线性、大时滞、多参数等问题可以通过混杂系统的建模与控制策略有效解决,因此具备了极其重要的理论意义与实用价值。文章采用混杂系统建模、性能分析、以及最小能耗目标下的优化控制方法开展中央空调冷冻水系统的节能研究。本文针对上述问题,研究了以下内容:(1)研究了几类混杂系统的建模,多种分类形式普遍为:采用把离散或者连续行为嵌入到另一种行为的方式,使其转化为另一种行为内部动作。研究了冷冻水泵的混杂动态特性,分析了水泵群开关控制与变流量控制的系统形式与动态过程;研究了中央空调冷冻水系统的冷量传递与空调房间的热平衡,分析了冷冻水泵的特性与节能策略。研究了稳定性分析的方法,主要就三个主要稳定性问题,划分为多李雅普诺夫法、共同李雅普诺夫法、拉格朗日法及其他方法等;讨论了基于不同混杂系统模型下的优化控制方法的技术路线,介绍了混杂系统的最优化控制与鲁棒控制的主要研究方法。(2)研究了水泵群开关控制的混杂模型与稳定性。通过对水泵群开关控制系统的分析,提出了水泵群开关控制一般化模型及其子结构,举例描述了系统的框架结构。着重分析了子结构的稳定性与多开关系统失稳现象。明确了有别传统切换系统的关键因素,提出子系统组为切换基本单元。文章对系统状态矩阵的结构进行分析,得出子系统组状态矩阵赫尔维茨稳定与舒尔稳定的推论。结合矩阵可成对交换的假设条件,给出任意切换条件下,系统均为李雅普诺夫稳定的命题,并推导出共同李雅普诺夫函数。将该结论推广至类并联结构,适当放松条件,可以得到相关理想的稳定性结果。通过仿真对比分析三种控制策略,描述多开关系统的稳定与失稳情况。(3)结合不带变频器的冷冻水泵的变流量与投切技术,提出一类双约束的混合逻辑动态系统模型(DC-MLDS)。该模型以混合逻辑不等式的形式描述,包含了状态变量、控制变量、逻辑变量、辅助变量、双约束的切换规则、临界值、最小误差等多个指标。其中,通过讨论非零切换点的问题,推导出蕴含关系下逻辑表达式的等价关系式;明确切换上下临界值,确定系统状态依赖型的切换规则。将上述双约束混合逻辑动态模型应用到中央空调冷冻水系统的节能控制上,分析冷量从冷冻水系统向风系统的传递过程,以水泵群的投切与变流量行为实现。最后,通过仿真分析系统的切换动作、变流量过程、室温变化、电能节省情况,分析了模型与控制的适用性。(4)结合带变频器的冷冻水泵的变流量与投切技术,提出了一种基于混合动态控制策略。建立了一种基于矢量控制的水泵转速优化模型,该模型具有较好的电磁特性和转矩响应效果。考虑到水系统的负荷特性,采用矢量控制方法对水泵的水量进行实时变频调节,使其具备变流量控制的功能。采用开关控制策略、冷量分配和平均温差法,达到调控目的。通过变流量调节和可投切水泵的开关(ON/OFF)动作,描述中央空调冷冻水系统的混合动态特性,体现了较好的动态特征与控制效果。最后,给出一个算例,通过MATLAB仿真分析,阐述了控制过程与节能情况。
【图文】：

水箱,混杂系统,最小能耗,典型案例

华南理工大学博士学位论文提出几种控制方法，实现在最小能耗为目标下的中央空调冷冻水系统的水泵群体现出混杂建模与控制的实用性与有效性。下面通过 2 个混杂系统研究中典型案例，比较说明混杂系统的建模与控制问-1. 学者 G.Labinaz 对于三个水箱注水问题，提出了经典的混杂系统建模与优化计与控制问题，可见图 2-7。

车辆行驶模型

图 2-8 车辆行驶模型Fig.2-8 vehicle running model辆向前行驶的速度；辆转向的角速度；辆在横坐标的位置；辆在纵坐标的位置。辆只可以通过前进、后退、以及自身转向角度的小幅度变化从水，这也是一个典型的混杂系统，，只对行驶速度建模或者只对转向传统单一的连续动态系统或离散动态系统，无法清晰的体现出车程。因此，要对车辆前行的速度与转向的角速度同时分析、定量混杂动态过程的物理背景与数学意义。使用混杂系统的数学模型为：.1 1x u cos
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU831

【相似文献】