[發明專利]基于模型降階和多模型預測控制的室內熱環境控制方法

有效

• 申請號: 201410199657.5
• 申請日: 2014-05-13
• 公開（公告）號: CN103995548A
• 公開（公告）日: 2014-08-20
• 發明（設計）人: 薛文平;李康吉;劉國海
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: G05D23/19
• 分類號: G05D23/19
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 汪旭東

技術領域

本發明涉及一種基于模型降階和多模型預測控制的室內熱環境控制方法，屬于建筑環境與建筑節能領域。

背景技術

我國是能源消耗大國，其中建筑能耗約占我國社會總能耗的25%，且比例仍在逐年提升。隨著人們對居住品質和建筑節能要求的不斷提高，如何控制和優化建筑室內熱環境與空調能耗越來越受到關注。

在目前傳統的暖通空調控制策略下，建筑室內熱環境中各控制參數通常簡化為勻一值，忽略了空間分布的影響。實際上，由于建筑內部空氣流動和傳熱特性，溫度與風速的空間分布處處不同，大空間（比如商場、酒店大廳、劇院等）尤為明顯。人們直觀的感受往往是：室內某些區域過熱或過冷，某些區域卻不夠熱或不夠冷；或者某些區域很悶（通風不夠），某些區域卻風很大。這種用戶區域與實際傳感器位置之間的差異是導致舒適度抱怨，進而引起能耗增加的重要因素。在一些特殊場合，比如數據中心、醫院等，室內溫度和通風效果的要求更高，更需要以精確建模為基礎對室內微環境進行精確控制。在此背景下，對建筑節能領域中的建筑熱環境優化控制問題展開研究具有重要現實意義和實際應用價值。

從國際國內報道看，目前建筑環境的優化控制策略并未充分考慮空間分布的影響。作為一類氣體流動和熱傳遞相互耦合的分布式參數系統，熱環境建模的復雜性是目前制約精確熱環境模型參與溫度控制的主要原因。仔細分析建筑室內熱環境易知，室內的氣體流動和熱量交換主要由質量、動量和能量等三個基本的偏微分方程來描述。由于上述偏微分方程組直接求解困難，目前建筑熱環境建模發展出許多行之有效的工程方法，包括實驗模型、經驗模型、多區域網絡模型、區域模型以及計算流體力學（CFD）模型等。就建模精度而言，CFD方法是分辨率最高的。但CFD?的建模復雜度和迭代求解方式使得它與現代控制理論相互割裂，這給后續的熱環境模型控制器設計帶來困難。

發明內容

針對現有建筑室內溫度控制策略所存在的上述缺陷，本發明提供一種基于模型降階和多模型預測控制的室內熱環境控制方法。其特點在于將非線性系統在平衡點線性化展開的思路擴展到復雜分布式參數系統，運用離散化方法和模型降階技術建立低階線性的、多模型形式的室內熱環境數學模型，解決熱耦合現象引起的模型失配問題，從而適用線性系統預測控制方法進行精確的室內熱環境精確控制。

本發明的技術方案是：

一種基于模型降階和多模型預測控制的室內熱環境控制方法，包括如下步驟：

（1）建立基于CFD的室內熱環境動態模型；

（2）對室內用戶區域的溫度變化區間進行合理分段；

（3）對熱環境模型離散化并通過模型降階技術在（2）中每段溫度區間的平衡態處進行模型重構，構造出線性多模型形式的室內熱環境模型；

（4）運用優化算法合理選擇多模型切換時間；

（5）對多模型形式的室內熱環境運用預測控制方法進行用戶區域溫度的精確控制。

進一步，所述步驟（1）中，CFD仿真使用Fluent計算流體力學軟件；室內熱環境模型的建立步驟如下：

A、利用Fluent軟件建立房間圍護的二維幾何模型，確定空調送風口和回風口的位置與尺寸；

B、對建立的房間模型劃分網格；

C、固定空調送風速度，耦合求解質量、動量及能量方程的瞬態解，得到室內用戶區域的溫度變化曲線。

進一步，所述步驟（2）中，室內用戶區域的溫度變化區間分段方法采用均分法。

進一步，所述步驟（3）中，為了便于降階模型的參數提取和精度比較，離散化策略采用與Fluent軟件一致的有限體積法。有限體積法的基本思想是將計算域劃分為一系列不重復的微元體，將控制方程對每一個微元體體積分，保證各物理量在計算域內守恒。

模型降階技術采用本征正交分解/?伽遼金(POD/Galerkin)方法；?POD模型降階的基本思想為：在???????????????????????????????????????????????維向量空間中有一組數據集，找到其一組維子集構成子空間（），使原數據集映射到子集的誤差在能量意義上最小。POD/Galerkin模型降階的基本步驟如下：

A、在CFD動態仿真過程中，利用快照方式（snapshots）截取個代表性溫度場并組成矩陣：

這里維的矩陣由代表性溫度場組成，是房間內網格點總數，是快照次數；為的轉置；

B、利用特征值方程求解矩陣的特征值和特征向量：

C、選擇合適的截斷值，使得前個特征值包含的系統動能占比大于99%，這里表示為：