清華大學工學博士學位論文——空調(diào)冷凍站 “無中心控制”系統(tǒng)研究其它

清華工學博士學位論文——空調(diào)冷凍站 “無中心控制”系統(tǒng)研究 本文提出一種基于智能機電設備的冷 凍站無中心控制系統(tǒng)，設計簡單直接的規(guī)則對智能設備進行連接、即插即用地完 成無中心控制系統(tǒng)的搭建；開發(fā)不依賴于冷凍站具體配置的通用的無中心優(yōu)化控 制算法，使冷凍站各智能設備通過自主協(xié)同工作高效地實現(xiàn)控制目標。 圍繞這一目標，本文通過分析冷站機電設備自身的運行需求以及冷站系統(tǒng)層 面設備之間的協(xié)作需求，研究定義各類智能機電設備的標準化信息模型，并制定 了智能設備之間的的組織連接與通信識別規(guī)則。通過“面向?qū)ο?rdquo;的模塊化分析， 將各智能設備基于不同的功能組織形式劃分為相對獨立的“設備模塊”，同時使冷 凍站系統(tǒng)的優(yōu)化控制問題解耦；進一步分析無中心冷凍站模塊內(nèi)和模塊之間的功 能，抽象出冷凍站無中心控制系統(tǒng)中兩類典型的優(yōu)化問題，即設備模塊內(nèi)部的分 配優(yōu)化問題和設備模塊之間的擴散優(yōu)化問題。重點研究了控制系統(tǒng)底層的模塊內(nèi) 分配優(yōu)化問題，基于數(shù)學分析指導設計無中心算法求解，通過不同設備模塊的算 例應用驗證了算法的可行性，并進一步建立典型冷凍站模型，進行了模擬驗證， 證明該算法可以得到近似最優(yōu)解；對設備模塊之間的擴散優(yōu)化問題，引入了罰參 數(shù)法進行等價轉(zhuǎn)化分解，利用數(shù)學算例對該算法進行了初步的應用探討。基于已 有的無中心平臺，對無中心算法進行了移植開發(fā)，并搭建硬件仿真環(huán)境完成了算 法的硬件測試。 通過研究成果的工程案例實踐應用，包括冷機模塊和“帶負載”的水泵模塊 的無中心控制，驗證了無中心控制系統(tǒng)敏捷開發(fā)、快速部署、即插即用等特點， 且可以實現(xiàn)優(yōu)化控制。 當前的冷站控制系統(tǒng)均為集中式的樹狀分層的控制架構(gòu)，在控制系統(tǒng)實際應 用的過程中，存在實用性差、通用性不好的問題，導致實際運行的冷站控制系統(tǒng) 自動化水平普遍偏低。樓宇自動化系統(tǒng)中，一種全新的無中心智能建筑平臺在實 際應用中具有實用性強、通用性好的特點。借鑒這一理念，本文提出一種基于智 能機電設備的冷凍站無中心控制系統(tǒng)架構(gòu)，圍繞這一理念從無中心系統(tǒng)的視角， 對冷站系統(tǒng)進行分析抽象典型問題、設計無中心算法求解、對算法進行模擬驗證 并應用于實際工程，重點取得了以下五方面成果： 1）集中式的樹狀分層的控制系統(tǒng)架構(gòu)，導致系統(tǒng)組網(wǎng)配置困難工作量大、系 統(tǒng)建模困、多專業(yè)多工種在系統(tǒng)設計施工驗收各環(huán)節(jié)配合機制脫節(jié)。使得當前冷 站控制系統(tǒng)：實用性差，即控制系統(tǒng)在從設計到實際應用，需要大量的配置、安 裝、調(diào)試等現(xiàn)場工作；通用性差，即控制系統(tǒng)及控制算法需要針對不同的冷站項 目進行重新設計、二次開發(fā)等工作。是導致實際運行的冷凍站系統(tǒng)自動化水平普 遍偏低、文獻研究中各類優(yōu)化控制算法在實際工程中基本沒有應用的根本原因。 2）分析機電設備自身的運行需求和冷站系統(tǒng)層面設備之間的協(xié)作需求，從無 中心冷站系統(tǒng)架構(gòu)的角度，定義了各類智能機電設備的標準化信息模型，制定智 能設備的組織與識別規(guī)則，實現(xiàn)了基于“簡單直觀”的規(guī)則，“即插即用”地完成 無中心控制系統(tǒng)的搭建，滿足冷站控制系統(tǒng)運行的需求。 3）在冷站無中心系統(tǒng)架構(gòu)下，利用“面向?qū)ο?rdquo;的模塊化分析，將智能設備 基于不同的功能組織形式劃分為相對獨立的“設備模塊”，同時使冷站系統(tǒng)的優(yōu)化 控制問題解耦。通過對冷站無中心系統(tǒng)模塊內(nèi)和模塊之間的功能分析，抽象出冷 站無中心控制系統(tǒng)中兩類典型的優(yōu)化問題，即設備模塊內(nèi)部的分配優(yōu)化問題和設 備模塊之間的擴散優(yōu)化問題。 4）針對冷站無中心系統(tǒng)模塊內(nèi)的分配優(yōu)化問題進行理論分析，設計了通用的 無中心算法，通過不同的設備模塊（水泵模塊、冷機模塊、冷卻塔模塊）進行了 算法的模擬驗證，證明該算法可以得到近優(yōu)解�；�于已有的無中心平臺，對算法 進行了移植開發(fā)，通過搭建硬件測試環(huán)境，對無中心算法進行了硬件測試；并進 一步將無中心控制算法應用于實際工程，包括冷機模塊和“帶負載”的水泵模塊， 驗證了無中心控制系統(tǒng)的敏捷開發(fā)、快速部署、即插即用的特點，且可以實現(xiàn)優(yōu) 化節(jié)能控制。 5）通過對分配優(yōu)化問題中并聯(lián)變頻水泵的轉(zhuǎn)速優(yōu)化控制這一典型問題深入的 理論分析，得出便于指導實際應用的通用準則，適用于相同型號的水泵并聯(lián)、不同型號的水泵或?qū)?ldquo;帶負載”的水泵并聯(lián)等效為不同型號水泵并聯(lián)等各種情況。 本文基于無中心控制理念，首次對冷站無中心控制的若干關(guān)鍵問題進行了理 論分析和實際應用嘗試，有以下幾點有待進一步研究和完善： 1）在冷站無中心系統(tǒng)的框架下，對更加復雜的冷站系統(tǒng)形式，如冰蓄冷、水 蓄冷、熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)等，進行適用性研究。 2）在模塊間的擴散優(yōu)化問題中，深入研究如何利用模塊內(nèi)部的各智能設備的 模型，等效轉(zhuǎn)化為設備模塊整體的性能模型的方法。 3）對模塊間的擴散優(yōu)化問題進行深入的分析探討，研究適用于各類復雜冷站 系統(tǒng)形式的求解該問題的無中心算法。 4）模塊間擴散優(yōu)化問題的無中心算法和模塊內(nèi)分配優(yōu)化問題的無中心算法， 二者是無中心冷站控制系統(tǒng)中不同層次的算法，在實際應用中二者的接口、配合 機制有待進一步的研究和完善。 5）在智能機電設備的理念下，研究中央空調(diào)系統(tǒng)末端的無中心組織形式、系 統(tǒng)末端與無中心冷站系統(tǒng)的接口，將系統(tǒng)末端也作為一個設備模塊，加入模塊間 擴散優(yōu)化問題的研究分析。