暖通空调系统的非线性自适应节能控制算法研究

作为楼宇建筑用能大户的暖通空调系统是个复杂多变量非线性系统，为了更好的节约能源，提高暖通空调系统的能源利用效率，本项目致力于实现暖通空调系统的节能与优化控制，深入研究系统中温湿度的多变量非线性自适应控制算法。首先从系统全局能量管理角度建立暖通空调系统的多变量非线性系统数学模型；在此基础上，分析系统中温湿度之间的内在动态关系，对其进行解耦控制、backstepping控制的分析和设计，建立自适应鲁棒控制器，实现系统的闭环李亚普诺夫稳定性，使系统获得良好的控制性能，更加优化调节和控制房间内空气的温度和湿度，在满足人们舒适度的同时最大限度的节约能源；最后通过智能建筑实验室暖通空调系统平台的试验研究验证所设计控制策略的有效性和可行性。本课题研究的问题是暖通空调系统控制的基本理论问题，研究难度大，研究方法新颖，不仅具有独创性，而且具有重要理论研究价值和广阔的应用前景。

该项目致力于空调系统的多变量非线性自适应控制的算法研究，将矩阵半张量积这一新型代数运算工具引入在多变量非线性系统控制中，建立了基于多个输出变量不能解耦系统的模糊关系矩阵模型，并且已经成功应用到智能环境舒适度中空调系统的模糊控制器设计中。具体研究内容包括.（1）深入研究矩阵半张量积运算及其基本性质，然后将这一运算引入多变量非线性系统中，考虑利用这种方法来解决基于逻辑推理的模糊系统中的控制问题，应用矩阵半张量积建立了多变量模糊关系的结构矩阵，解决了不能解耦的多变量系统模型的建立。首先假设变量的论域是有限集，每个模糊变量可以表示成一个向量，从而将模糊子集和模糊关系都进行矩阵表示，从而将多个模糊变量之间的结构关系进行矩阵表示；然后基于半张量积给出模糊交和并运算的矩阵表达，这对于复杂模糊关系的计算非常有用；于是在此基础上提出了双重模糊结构，将模糊化和解模糊过程也进行矩阵表示；最后应用以上获得的结果建立多变量耦合系统的模糊关系矩阵控制器。.（2）针对复杂非线性系统中多个输出不能解耦的控制问题, 利用矩阵半张量积运算建立了模糊关系矩阵模型, 从而提出了一种新型模糊控制器设计方法. 将传统模糊控制中的推理过程和模糊规则的建立转化成矩阵运算, 有效避免了建模和控制的复杂性. 将其应用于室内热环境舒适度控制系统中, 基于室内外的温度、 湿度等多个变量的采样数据对, 给出具体的模糊关系矩阵的建立过程, 设计得出新型模糊控制器. 仿真和实验结果表明, 该方法能够实现室内热环境的舒适度优化控制, 并且不需要进行多变量之间的解耦..（3）为了通过空调控制系统实现室内热环境的动态舒适度控制，运用半张量积运算，通过数据分析构建实时在线的模糊关系矩阵，把模糊控制的逻辑推理过程转换成数字化处理，实现了基于数据分析的空调系统模糊控制器设计，然后把这种空调系统模糊控制器运用到室内热环境的舒适度控制中。仿真和实验的控制结果表明，该空调模糊控制器可以通过在线设计的模糊关系矩阵对舒适度进行控制，实现了空调系统对室内热环境舒适度的动态控制。