清華大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文——空調(diào)冷凍站 “無(wú)中心控制”系統(tǒng)研究其它

清華工學(xué)博士學(xué)位論文——空調(diào)冷凍站 “無(wú)中心控制”系統(tǒng)研究 本文提出一種基于智能機(jī)電設(shè)備的冷 凍站無(wú)中心控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單直接的規(guī)則對(duì)智能設(shè)備進(jìn)行連接、即插即用地完 成無(wú)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(wú)中心優(yōu)化控 制算法，使冷凍站各智能設(shè)備通過(guò)自主協(xié)同工作高效地實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。 圍繞這一目標(biāo)，本文通過(guò)分析冷站機(jī)電設(shè)備自身的運(yùn)行需求以及冷站系統(tǒng)層 面設(shè)備之間的協(xié)作需求，研究定義各類智能機(jī)電設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化信息模型，并制定 了智能設(shè)備之間的的組織連接與通信識(shí)別規(guī)則。通過(guò)“面向?qū)ο?rdquo;的模塊化分析， 將各智能設(shè)備基于不同的功能組織形式劃分為相對(duì)獨(dú)立的“設(shè)備模塊”，同時(shí)使冷 凍站系統(tǒng)的優(yōu)化控制問(wèn)題解耦；進(jìn)一步分析無(wú)中心冷凍站模塊內(nèi)和模塊之間的功 能，抽象出冷凍站無(wú)中心控制系統(tǒng)中兩類典型的優(yōu)化問(wèn)題，即設(shè)備模塊內(nèi)部的分 配優(yōu)化問(wèn)題和設(shè)備模塊之間的擴(kuò)散優(yōu)化問(wèn)題。重點(diǎn)研究了控制系統(tǒng)底層的模塊內(nèi) 分配優(yōu)化問(wèn)題，基于數(shù)學(xué)分析指導(dǎo)設(shè)計(jì)無(wú)中心算法求解，通過(guò)不同設(shè)備模塊的算 例應(yīng)用驗(yàn)證了算法的可行性，并進(jìn)一步建立典型冷凍站模型，進(jìn)行了模擬驗(yàn)證， 證明該算法可以得到近似最優(yōu)解；對(duì)設(shè)備模塊之間的擴(kuò)散優(yōu)化問(wèn)題，引入了罰參 數(shù)法進(jìn)行等價(jià)轉(zhuǎn)化分解，利用數(shù)學(xué)算例對(duì)該算法進(jìn)行了初步的應(yīng)用探討�；�于已 有的無(wú)中心平臺(tái)，對(duì)無(wú)中心算法進(jìn)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(cè)試。 通過(guò)研究成果的工程案例實(shí)踐應(yīng)用，包括冷機(jī)模塊和“帶負(fù)載”的水泵模塊 的無(wú)中心控制，驗(yàn)證了無(wú)中心控制系統(tǒng)敏捷開發(fā)、快速部署、即插即用等特點(diǎn)， 且可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制。 當(dāng)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(shí)際應(yīng) 用的過(guò)程中，存在實(shí)用性差、通用性不好的問(wèn)題，導(dǎo)致實(shí)際運(yùn)行的冷站控制系統(tǒng) 自動(dòng)化水平普遍偏低。樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)中，一種全新的無(wú)中心智能建筑平臺(tái)在實(shí) 際應(yīng)用中具有實(shí)用性強(qiáng)、通用性好的特點(diǎn)。借鑒這一理念，本文提出一種基于智 能機(jī)電設(shè)備的冷凍站無(wú)中心控制系統(tǒng)架構(gòu)，圍繞這一理念從無(wú)中心系統(tǒng)的視角， 對(duì)冷站系統(tǒng)進(jìn)行分析抽象典型問(wèn)題、設(shè)計(jì)無(wú)中心算法求解、對(duì)算法進(jìn)行模擬驗(yàn)證 并應(yīng)用于實(shí)際工程，重點(diǎn)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(dǎo)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(shè)計(jì)施工驗(yàn)收各環(huán)節(jié)配合機(jī)制脫節(jié)。使得當(dāng)前冷 站控制系統(tǒng)：實(shí)用性差，即控制系統(tǒng)在從設(shè)計(jì)到實(shí)際應(yīng)用，需要大量的配置、安 裝、調(diào)試等現(xiàn)場(chǎng)工作；通用性差，即控制系統(tǒng)及控制算法需要針對(duì)不同的冷站項(xiàng) 目進(jìn)行重新設(shè)計(jì)、二次開發(fā)等工作。是導(dǎo)致實(shí)際運(yùn)行的冷凍站系統(tǒng)自動(dòng)化水平普 遍偏低、文獻(xiàn)研究中各類優(yōu)化控制算法在實(shí)際工程中基本沒有應(yīng)用的根本原因。 2）分析機(jī)電設(shè)備自身的運(yùn)行需求和冷站系統(tǒng)層面設(shè)備之間的協(xié)作需求，從無(wú) 中心冷站系統(tǒng)架構(gòu)的角度，定義了各類智能機(jī)電設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化信息模型，制定智 能設(shè)備的組織與識(shí)別規(guī)則，實(shí)現(xiàn)了基于“簡(jiǎn)單直觀”的規(guī)則，“即插即用”地完成 無(wú)中心控制系統(tǒng)的搭建，滿足冷站控制系統(tǒng)運(yùn)行的需求。 3）在冷站無(wú)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(shè)備 基于不同的功能組織形式劃分為相對(duì)獨(dú)立的“設(shè)備模塊”，同時(shí)使冷站系統(tǒng)的優(yōu)化 控制問(wèn)題解耦。通過(guò)對(duì)冷站無(wú)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(wú)中心控制系統(tǒng)中兩類典型的優(yōu)化問(wèn)題，即設(shè)備模塊內(nèi)部的分配優(yōu)化問(wèn)題和設(shè) 備模塊之間的擴(kuò)散優(yōu)化問(wèn)題。 4）針對(duì)冷站無(wú)中心系統(tǒng)模塊內(nèi)的分配優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行理論分析，設(shè)計(jì)了通用的 無(wú)中心算法，通過(guò)不同的設(shè)備模塊（水泵模塊、冷機(jī)模塊、冷卻塔模塊）進(jìn)行了 算法的模擬驗(yàn)證，證明該算法可以得到近優(yōu)解。基于已有的無(wú)中心平臺(tái)，對(duì)算法 進(jìn)行了移植開發(fā)，通過(guò)搭建硬件測(cè)試環(huán)境，對(duì)無(wú)中心算法進(jìn)行了硬件測(cè)試；并進(jìn) 一步將無(wú)中心控制算法應(yīng)用于實(shí)際工程，包括冷機(jī)模塊和“帶負(fù)載”的水泵模塊， 驗(yàn)證了無(wú)中心控制系統(tǒng)的敏捷開發(fā)、快速部署、即插即用的特點(diǎn)，且可以實(shí)現(xiàn)優(yōu) 化節(jié)能控制。 5）通過(guò)對(duì)分配優(yōu)化問(wèn)題中并聯(lián)變頻水泵的轉(zhuǎn)速優(yōu)化控制這一典型問(wèn)題深入的 理論分析，得出便于指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用的通用準(zhǔn)則，適用于相同型號(hào)的水泵并聯(lián)、不同型號(hào)的水泵或?qū)?ldquo;帶負(fù)載”的水泵并聯(lián)等效為不同型號(hào)水泵并聯(lián)等各種情況。 本文基于無(wú)中心控制理念，首次對(duì)冷站無(wú)中心控制的若干關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了理 論分析和實(shí)際應(yīng)用嘗試，有以下幾點(diǎn)有待進(jìn)一步研究和完善： 1）在冷站無(wú)中心系統(tǒng)的框架下，對(duì)更加復(fù)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(jìn)行適用性研究。 2）在模塊間的擴(kuò)散優(yōu)化問(wèn)題中，深入研究如何利用模塊內(nèi)部的各智能設(shè)備的 模型，等效轉(zhuǎn)化為設(shè)備模塊整體的性能模型的方法。 3）對(duì)模塊間的擴(kuò)散優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行深入的分析探討，研究適用于各類復(fù)雜冷站 系統(tǒng)形式的求解該問(wèn)題的無(wú)中心算法。 4）模塊間擴(kuò)散優(yōu)化問(wèn)題的無(wú)中心算法和模塊內(nèi)分配優(yōu)化問(wèn)題的無(wú)中心算法， 二者是無(wú)中心冷站控制系統(tǒng)中不同層次的算法，在實(shí)際應(yīng)用中二者的接口、配合 機(jī)制有待進(jìn)一步的研究和完善。 5）在智能機(jī)電設(shè)備的理念下，研究中央空調(diào)系統(tǒng)末端的無(wú)中心組織形式、系 統(tǒng)末端與無(wú)中心冷站系統(tǒng)的接口，將系統(tǒng)末端也作為一個(gè)設(shè)備模塊，加入模塊間 擴(kuò)散優(yōu)化問(wèn)題的研究分析。