（控制理论与控制工程专业论文）空气源热泵热水系统的分层递阶多agent控制方法实现.pdf

s t u d y 。f 压e t h 。d 。rhierarchica。c。ntr。and压u，ti二g黼 a i r - s o u r c eh e a tp u m ph o t - w a t e rs y s t e m b y z h a n gh u i b e ( n a n y a n gi n s t i t u t i o no fs c i e n c e & t e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g l n c h a n g s h au n i v e r s i t yo fsc i e n c e & t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o rc h e nz h o n g a p r i l ，2 0 1 1 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：事茛餐 醐办1 1 年帅7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密豳。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 弓诞慧 日期：伽l 年厂月1 日 导师躲骼易、 日期拗l 严5 月玛日 摘要 随着能源紧缺问题越来越严峻和节能减排任务的提出，空气源热泵由于其高 效节能、使用安全等独特的优势受到商家的广发关注。然而，当前的空气源热泵 热水系统依然存在不能充分利用空气热源和制水水温固定不变的问题。针对这 点，本文主要致力于智能控制理论的研究，把模糊控制、b p 网络以及分层递阶 多a g e n t 控制理论引入到空气源热泵热水系统中，解决当前问题，提高系统的智 能程度。主要研究成果如下： 1 ) 通过对空气源热泵工作特性的详细分析，采用分层递阶控制的层次结构 把热水系统逐层分解成一个个子系统，每个子系统采用具有独立求解问题能力的 a g e n t 分别实现，从而简化了控制线路，使复杂的控制系统简单化。 2 ) 针对制水水温固定不变的问题，把模糊控制技术引入到水箱水温设定控 制中，设计了控制规则加权因子自适应的水温设定模糊判定器，使其能够以气温 平均值和气温平均值变化量为输入变量自动将水箱制水水温设定在 3 9 ，5 2 】 范围内 3 ) 针对不能合理配置机组启动时间使其工作在最佳制热效率下的问题，提 出根据预测的热水装置的热水产率和制水任务约束合理调整机组启动时间的决 策方案。通过对b p 神经网络的学习研究，设计了热水装置的热水产率预测器， 并把既加有动量因子又能动态调整学习速率的b p 网络和只加入动量因子但不能 动态调整学习速率的b p 网络以及动态调整学习速率但没有加入动量因子b p 网 络的预测效果进行了对比分析。分析表明，既加有动量因子又能动态调整学习速 率的b p 网络具有较好的预测效果，能够满足工程实践需要。 本文设计的空气源热泵分层递阶多a g e n t 控制的热水系统解决了空气源热泵 热水系统当前存在的不能合理利用空气热源和固定温度制水的问题，对提高其节 能增效性能具有良好的实践和经济效用。 关键词：分层递阶；模糊控制；决策；b p 网络；热水产率 a b s t r a c t a sw ek n o w , t h ee n e r g ys h o r t a g ei s s u ei sb e c o m i n gm o r ea n dm o r es e v e r ea n d i t sn e c e s s a r yt om a k et h et a s ko fe n e r g ys a v i n g s ，0 nt h i so c c a s i o n ，a i r s o u r c eh e a t p u m pi n t e r e s t 3l o t so fb u s i n e s s e sw i d e l yb e c a u s eo fi t su n i q u ea d v a n t a g e sa b o u t h i g he f f i c i e n c y , e n e r g y s a v i n ga n ds a f e t y h o w e v e r , t h e r ea r es t i l l i s s u e si nh o wt o f u l l yu s ca i rh e a ts o u r c ea n dr e v i s et h es e tt e m p e r a t u r ea u t o m a t i c a l l ya c c o r d i n gt o t e m p e r a t u r e o nt h i sp o i n t ，t h i sp a p e rf o c u s e so nt h er e s e a r c ho fi n t e l l i g e n tc o n t r o l t h e o r y , i nt h em e a n w h i l e , t h ef u z z yc o n t r o l ，b pn e t w o r ka n d t h eh i e r a r c h i c a l m u l t i a g e n tc o n t r o lt h e o r ya r ei n t r o d u c e di n t ot h ea i r - s o u r c eh e a tp u m ph o tw a t e r s y s t e mt or e s o l v et h e s ei s s u e sa n di m p r o v et h ei n t e l l i g e n c eo ft h es y s t e m t h em a i n c o n t e n to ft h i sp a p e ri si nt h ef o l l o w i n g ： a c c o r d i n gt ot h ed e t a i l e dc i r c u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i sf o ra i r s o u r c eh e a t p u m p ，t h eh o t w a t e rs y s t e mw a sd e c o m p o s e di n t os u b - s y s t e m sb yh i e r a r c h i c a l c o n t r o ls t r u c t u r ea n de a c hs u b s y s t e mw a si m p l e m e n t e db ya na g e n tw i t h i n d e p e n d e n ta b i l i t yt os o l v et h ep r o b l e m s ，w h i c hw a st os i m p l i f yt h ec i r c u i tc o n t r o l a n dc h a n g et h ec o m p l e xc o n t r o ls y s t e mt ob es i m p l e r r e g a r d i n gt h ew a t e rt e m p e r a t u r ei s s u e ，t h ef u z z yc o n t r o lt e c h n o l o g y w a s i n t r o d u c e di n t ot h ec o n t r o lf o rt h et e m p e r a t u r es e t t i n go fw a t e rt a n ka n daf u z z y c o n t r o l l e rw a sd e s i g n e df o rw a t e rt e m p e r a t u r es e t t i n gt oa d j u s tc o n t r o lr u l e s a u t o m a t i c a l l yb ya d a p t a b l ew e i g h t i n gf a c t o r , w h i c ht h ew a t e rt e m p e r a t u r ei ss e ta t r a n g eo f 【3 9 ，5 2 】a u t o m a t i c a l l yw i t ht h ea v e r a g eo ft e m p e r a t u r e a n dt h e v a r i a b l eo f a v e r a g et e m p e r a t u r ea si n p u tv a r i a b l e s i tw a sp r o p o s e dt h a tt h es t a r t u pt i m ew a sa d j u s t e dm o d e r a t e l yo nt h eb a s i so f t h er a t eo fh o tw a t e ry i e l dp r e d i c t e da n d w a t e rt a s kc o n s t r a i n t st or e s o l v et h e p r o b l e mt h a tt h em a c h i n ec o u l dn o tw o r ki n t h eb e s th e a t i n gs t a t eb e c a u s eo f u n r e a s o n a b l ea l l o c a t i o na b o u ts t a r t - u pt i m ef o rm a c h i n e s b a s e do nb pn e t w o r k ， p r e d i c t o ra b o u tt h er a t eo fh o tw a t e ry i e l dw a sd e s i g n e dt h r o u g ht h er e s e a r c hf o rb p n e t w o r k ，a n dm o r e o v e r ，c o m p a r a t i v ea n a l y s i sw a sa c c o m p l i s h e db e t w e e nb pn e t w o r k w i t hm o m e n t u mf a c t o rb u tn o td y n a m i cl e a r n i n gr a t e ，b pn e t w o r kw i t hd y n a m i c l e a r n i n gr a t eb u tn o tm o m e n t u mf a c t o ra n db pn e t w o r kw i t hm o m e n t u mf a c t o ra n d d y n a m i cl e a r n i n gr a t e a n a l y s i ss h o w e dt h a tt h eb pn e t w o r kw i t hm o m e n t u mf a c t o r a n dd y n a m i cl e a r n i n gr a t eh a db e t t e rp r e d i c t i o na n di tc o u l ds a t i s f yt h ee n g i n e e r i n g n e e d i i t h eh o tw a t e rs y s t e mb a s e do nm u l t i - a g e n th i e r a r c h i c a lc o n t r o li na i rs o u r c e h e a tp u m pr e s o l v e dt h ep r e s e n tp r o b l e mt h a tc o u l dn o tm a k eb e s tu s eo fa i rh e a t s o u r c ea n dm a d eh o tw a t e rw i t hf i x e dt e m p e r a t u r e ，w h i c hw o u l dh a v eb e t t e rp r a c t i c e a n de c o n o m i cu t i l i t yf o re n e r g ye f f i c i e n c y k e yw o r d s ：h i e r a r c h i c a lc o n t r o l ；f u z z yc o n t r o l ；d e c i s i o n m a k i n g ；b pn e t w o r k ； r a t eo fh o tw a t e ry i e l d i h 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论 1 1 课题的背景和意义1 1 2 空气源热泵的工作特性2 1 2 1 环境空气温度对其制热性能的影响2 1 2 2 水箱水温对其制热性能的影响。3 1 2 3 热水供水模式对热泵热水装置能源效率的影响3 1 3 空气源热泵热水系统的节能方法研究现状4 1 4 基于分层递阶多a g e n t 控制的热水系统。5 1 5 本文的主要工作。6 第二章分层递阶多a g e n t 控制理论 2 1 分层递阶智能控制的提出7 2 2 分层递阶控制系统的原理7 2 3 分层递阶控制的结构8 2 4 分层递阶多a g e n t 控制研究10 2 4 1a g e n t 1 0 2 4 2a g e n t 的分类1 l 2 4 3a g e n t 的特性1 1 2 4 4 多a g e n t 系统：1 2 2 4 5 多a g e n t 系统的体系结构1 2 2 4 6 分层递阶多a g e n t 控制结构1 4 2 4 7 分层递阶控制系统中的a g e n t 研究1 5 第三章协调级水温判定a g e n t 设计 3 1 引言。17 3 2 模糊控制理论1 7 3 2 1 模糊控制的发展1 7 3 2 2 模糊控制理论的研究1 8 3 2 3 模糊控制的原理1 9 3 2 4 模糊控制器的组成2 0 3 3 水箱水温设定模糊判定器设计2 4 3 3 1 确定语言变量2 5 3 3 2 确定语言值的隶属度函数2 5 3 3 3 加权因子自适应模糊控制器设计2 7 3 3 4 控制规则制定与解模糊2 7 3 4 本章小结2 8 第四章协调级热水产率预测a g e n t 设计 4 1 引言2 9 4 2 神经网络的特点2 9 4 3 神经网络的应用。3 0 4 4 神经网络的类型3 l 4 5b p 网络3 2 4 5 1b p 网络的前馈计算3 2 4 5 2b p 网络权值的调整3 3 4 5 3b p 网络学习算法的计算步骤。3 3 4 5 4 传统b p 网络存在的缺陷3 4 4 5 5b p 网络的改进3 5 4 6 热水产率预测a g e n t 设计3 5 4 6 1 预测模型的结构设计3 5 4 6 2b p 网络的设计3 6 4 7 本章小结3 9 第五章分层递阶多a g e n t 在空气源热泵热水系统中的应用 5 1 引言。4 0 5 2 分层递阶多a g e n t 控制架构。4 0 5 3 分层递阶多a g e n t 控制系统实现4 2 5 3 1 系统的决策控制方案4 2 5 3 2 组织级与协调级的设计4 3 5 3 3 实时数据通信处理4 4 5 3 4 执行级设计4 4 5 4 系统控制装置的软件介绍4 4 总结5 0 参考文献5 2 致j 射5 5 附录( 攻读硕士学位期间发表论文目录) 5 6 第一章绪论 1 1 课题的背景和意义 随着世界能源危机和环境污染等问题的日益突出，节能减排已经成为国际上 广泛关注的话题。世界各国政府已经就“开发利用可再生能源，改善能源结构， 减排温室气体，保护环境”达成共识。清洁、高效和可再生能源成为了能源生产 和消费的主流。世界各国都在寻找可再生的清洁能源以满足需求。地球上大约 9 0 的能量都是来自于太阳的，太阳能数量巨大，且取之不尽用之不竭。一系列 的常规能源，譬如煤炭、石油都是太阳能长期转换的结果，而这只是相当小的一 部分能量。另外一大部分能量都以地流热、辐射热等形式存在于空气中1 1 1 空气 源热泵热水系统就是通过利用空气中的热量或其他低温热源中无法利用的余热 以及工业排放的废热来达到加热水目的的。 早在2 0 世纪7 0 年代，空气源热泵已经进入了欧美等一些发达国家的大多数 家庭。其主要原因是其具有独特的优势【：3 1 ： ( 1 ) 安装方便：空气在我们周围随处可取，无偿使用，且取之不尽，用之 不竭，因而安装地点随便，无特殊要求； ( 2 ) 节能：空气源热泵利用很少的电搬运几倍的热量，年节约率高达8 0 以上； i ( 3 ) 安全j 实现水电完全分离，同时也不会有燃气热水器有爆炸、漏气等 隐患，安全问题得到彻底的解决。 在我国，空气源热泵起步较晚。但近年来，随着能源紧缺问题越来越严峻和 节能减排任务的提出，其独特的优势必将具有广阔的发展前景。然而空气源热泵 制热性能受外界环境影响较大1 4 1 ，如何结合现有条件充分利用空气源热泵的制热 优势，成为了空气源热泵热水系统的主要研究内容。 随着计算机以及自动化技术的飞速发展，现代自动控制系统越来越朝向智能 化方向发展，各个领域对自动控制系统响应速度、控制精度、自适应能力以及系 统稳定性的要求也越来越高。被控对象或过程的时变性、非线性、较大的随机扰 动以及各种不确定性等因素的影响往往导致难以按照数学方法建立精确的被控 对象模型。对于这些系统来而言，采用传统的方法包括现代控制理论方面的算法 甚至不如一个经验丰富的操作师傅的手动控制效果好。 智能控制是研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，其主 要研究目标是把人工智能的理论知识引入到传统的控制系统中，从而使控制系统 在蒸发器面积一定时，蒸发器转速不变时也近似认为蒸发器传热系数变化不 大，则蒸发器的吸热量与其传热温差成正比，因而有： q ：出么f ( 一一2 ) ( f a d f e d 一2 ) ( 1 1 ) q 皿一f d ”v e二川v 一 一二， 、1 17 式中，级代表设计工况时空气源热泵蒸发器的吸热量； 如代表实际工况时空气源热泵蒸发器的吸热量： 缸，代表设计工况时空气源热泵蒸发器的传热温差； 址代表实际工况时空气源热泵蒸发器的传热温差； t 。代表设计工况时的空气温度； f 。d 代表实际工况时的空气温度； f f 代表设计工况时的空气源热泵工质的蒸发温度； 代表实际工况时的空气源热泵工质的蒸发温度。 且当冷凝器温升一定时，热水产率与冷凝器放热量成正比，则有计算公式【l ： m 眄，一q ， ? m 哪一- ，q c 式中， q c 代表设计工况下空气源热泵工质在冷凝器中的放热量； q c d 代表实际环境温度下空气源热泵工质在冷凝器中的放热量； m w 代表设计工况下空气源热泵热水装置的热水产率； 埘肋代表实际环境温度下空气源热泵热水装置的热水产率。 2 ( 1 2 ) 由此可见，外界环境温度对空气源热泵机组的热水产率有很大的影响。 1 2 2 水箱水温对其制热性能的影响 目前热泵热水装置主要有两种加热模式，一种是一次性加热模式，另一种是 循环加热模式。一次性加热模式是指冷水在经流经热泵冷凝器过程中一次被加热 至所需温度，进入热水箱的是满足温度要求的热水，这种加热模式中，水在热泵 冷凝器中的进出口温差较大。而循环加热模式则先将冷水注入热水箱，然后由热 泵使水箱内的水不断循环流过热泵冷凝器吸收热泵工质的热量，热水箱内的水温 随加热时间逐渐升高，知道达到设定温度为止，这种加热模式中，水在冷凝器中 的进出口温差较i x 4 1 研究经验表明，循环加热模式所需的能耗比起一次性加热略低。因此，空气 源热泵热水装置一般采用循环加热模式。其循环制热模式具有典型的升温特性， 若将1 5 1 2 水加热到4 5 1 2 ，其升温过程近似可分为六个阶段，每段的响应参数及 能耗如表1 1 所示i 1 由表1 1 可以看出，在空气源热泵循环制水过程中，水箱水温越高，机组的 制热性能越差，耗电量就越高。因此，利用空气源热泵制水时，在水箱容量能够 满足需要的前提下，要尽可能降低水温。 表1 1 循环加热时各升温段的特性 各段参数及能耗升温段l 升温段2升温段3 升温段4升温段5升温段6 各段出水温 1 5 专2 02 0 专2 52 5 专3 03 0 _ 3 53 5 哼4 04 0 4 5 和终水温 各段水侧 1 7 52 2 52 7 53 2 53 7 5 4 2 5 平均温度 各升温段 6 5 6 75 4 6 44 7 0 04 1 4 03 7 1 23 3 7 4 平均性能系数 各升温段耗电量 3 1 9 83 8 4 34 4 6 85 0 7 25 6 5 76 2 2 4 1 2 3 热水供水模式对热泵热水装置能源效率的影晌 热水供给模式通常有两种： 一种是制取的热水温度高于用户所需的热水温度，用户在用水时，将高温热 水和冷水混合，得到所需温度的热水； 一种是制取的热水温度恰等于用户所需的热水温度。 这两种热水供给方式的能效效率明显不同【】。 设冷水温度为15 ，用户所需热水温度为4 5 。按照第一种供水模式，用 户获得1 t4 5 热水所需要的耗电量为2 8 6 4 m j 。 3 按照第二种供水模式，热泵热水系统制取热水温度为6 0 ，并由6 0 ( 2 的热 水与1 5 的冷水混合得到4 5 的热水，则获得l t4 5 热水所需的高温热水量m 的计算公式为： ( 6 0 4 5 ) * m - - ( 4 5 - 1 5 ) ( 1 m ) ( 1 3 ) 解得：m = o 6 7 t 将o 6 7 t1 5 冷水加热到6 0 所需要的耗电量为3 5 6 3 m j ，比第一种供水模式 多耗电约为2 4 4 由以上对比分析可知，热泵制取热水的温度超过用户所需的热水温度越多， 则耗电量增加越多。因此，在工程应用中，热泵制取的热水温度应尽量接近用户 所需的热水温度。 1 3 空气源热泵热水系统的节能方法研究现状 目前的空气源热泵热水系统在节能方面主要采用以下改进方法： ( 1 ) 合理设置热泵除霜参数 以大气作为热源的空气源热泵在秋后和冬季，当气温和湿度达到一定数值范 围就发生结霜现象( 结霜后用于加热热水的能量就会减少) 。而根据日本学者的 实验结果，气温r ，空气相对湿度p 在以下范围：1 2 8 。c t 6 7 就会 结霜，5 o t 6 7 就会结重霜。因此，不同地区的气候条件不同， 机组除霜参数也应该是不一样的。参数设置过小，则达不到除霜的效果；设置过 大，则造成了过度除霜，浪费了大量的能源，降低了机组的c o p 值。在空气源 热泵机组在运行的过程中，除霜消耗的电量占热泵机组总耗电量的1 0 左右【t 】， 其中，过度除霜消耗的电量达到2 7 。因此，过度除霜过程浪费了大量的能量。 由此可见，根据不同地区的气候条件，合理设定机组的除霜参数，可以尽量 减少过度除霜，提高低温条件下热泵的制热效率。 ( 2 ) 蓄热 生活热水供应系统用水量较不稳定，大量用户的使用时间较集中。低谷电时 段用水量很少，热负荷很低。现在，为了充分利用电能，许多地区制定了低谷电 的优惠政策，电价为平电电价的5 5 左右。蓄热是指选择在低谷电时制热，电 网高峰时段停止制热，并把制好的热水保存在储热水箱里供用户使用的一种制热 方式。 如果在低谷电时进行制热，就可以节约5 0 的电费，考虑制热的5 1 0 的 热量损失，仍可以节约电费4 5 。试验表明，储热水箱外层加8 c m 厚的保温层， 经过晚上1 2 h 停放，热水的下降温度仅为o 5 【7 1 。加强储热水箱的作用，用它 夜间作为蓄热水箱使用，能降低运行费用。 ( 3 ) 变频调速 4 现在，供给用户端采用普通离心泵，设备起停时，压力波动很明显，从压力 表的读数巨幅波动上可以看出。生活热水供应系统各时段用水量变化很大，安装 变频调速恒压供水将缓解压力波动对水泵的影响，以调节电动机转速的方法取代 调节挡板或阀门，则不仅可以减轻工人劳动强度，还能达到节约电能目的，对提 高企业经济效益有重要意义【，s 】。 1 4 基于分层递阶多a g e n t 控制的热水系统 空气源热泵热水系统的一些改进在节能增效上都有了很大的突破，但依然存 在一些问题：1 ) 不合理的机组启动时间依然不能充分利用空气热源；2 ) 制水水 温不能根据人们生活需求合理调整，增