（计算机应用技术专业论文）变风量vav空调系统机组部分基于神经网络α阶逆系统的解耦控制.pdf

西安建筑科技大学硕士学位论文 芦3695 9 变风量( v a v ) 空调系统橇组部分 基于神经网络a 阶逆系统的解耦控制 专业：计算机应用技术 硕士缴：胡钦华 搔导教籁：饪庆昌教授 摘要 从节能和提高窳内环境质量角度来滑，暖通空调( h v a c ) 自控系统是楼宇自动化中最 蹩要的系统。因此，采用有效的空气调节方式对智能建筑的能量管理控制( e n e r g y m a n a g e m e n tc o n t r o l , e m c ) 具有重要意义。强蘸，变风量( v a r i a b l ea i r v o l u m e , v a v ) 空调 系统戳其匿大静节馨潜力逐海成为国肉多 系调系统懿主滚。穰怒，变葳量( v a v ) 黧调系统 具有多变量、强耦食、非线性、时变的特点，其设计、运行和锗理都比定风量( c o n s t a n ta i r v o l u m e ，c a v ) 系统难度大，国内尤其关波系统的稳定运行问题。 本文针对变风濑m v ) 空调系统的机缎部分存在耦合，难于稳定运行的情况，在分析比较 多耱多变羹解羯控制方案的基麓上，提爨了襻经网络( n e u r a ln e t w o r k , 硪) n 彰隧系统艇藕 控彀 敕方寨。论文蒜凳奔绍了靥子解藕羧露豹b p 网络静基本琢璞翔网络词| 练学习：算淡，运蘑 神经网络建模的方法，采用串一并联辨识结构，得到了变风餐( v a v ) 空调系统机组侧燮频风 机一管道静压和新风润一室内c 旺浓度两个回路构成的子系统的= 输入二输出正向动态神经 网络模型；然后离线调练得到了机组部分的逆动力学神经网络模型，并结合辨识 ! 譬到的正向 挨型，获真验涯了邀系统嚣剩黼熬甏芋瞧；翻矮翻稻。nc c 瞧嘲s 耋控公司基供的矮软 孛平 台，用v b d d e - - m e t a s y s 模式编霹了实现解藕控靠爝隧驰软 牛t 用实验验诞了蒺于逆 蝴受j 赖稷i 构成的伪线性复台对象弗渭硼n n 控制器的神经网络n 阶逆系统解群嫩制方 察在变风量( v a v ) 空调系统中实际i 垂用的可行性。实验结果令人满意，为今后在工程实践 中的应用奠定了基础。 关键词：黛威量( v a v ) 空调系统多变量自擎耦控制溯态数据交换神经网络辨漩神 经网络a 阶逆系统解耦控制 论文类型： 威用基础 ( 本文褥到陕疆省教弯蓐稀季 基垒资魏) 西安建筑科技大学硕士学位论文 d e c o u p li n gc o n t r o lb a s e do na n nqt h o r d e ri n v e r s e s y s t e mi na i rh a n d l i n gu n i t sf o rv a r i a b l e - a i r - v o l u m e a i r c o n d i t i o n i n gs y s t e m m a j o r ：a p p l i c a t i o no f c o m p u t e rt e c h n o l o g y n a m e ：h u q i n h u a i n s t r u c t o r ：p r o f r e nq i n g c h a n g a b s t r a c t 0 fa l lt h eb u i l d i n ga u t o m a t i o ns y s t e m s ( b a s ) ，h e a t i n g ，v e n t i l a t i n ga n da i r - c o n d i t i o n i n g ( h v a c ) s y s t e m sa r em o s ti m p o r t a n tf r o mt h ev i e w p o i n to f s a v i n ge n e r g ya n di m p r o v i n gt h eq u a l i t yo f t h ei n d o o re n v i r o n m e n tt h e r e f o r e , a d o p t i n ge f f i c i e n tc o n l m ls t r a t e g i e sf o ra i r - c o n d i t i o n i n gp l a y sav i t a l r o l ei nd e v e l o p i n gi m p r o v e de n e l g ym a n a g e m e n t n t 1 ( e m c 、s y s t e m sf o ri n t e l l i g e n tb u i l d i n g so b ) n o w a d a y s ，v a va i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mh a sg r a d u a u yb e c o m em o s tp o p i | l a ri nc h i n aa n da b r o a d b e c a u s eo f i t ss i g n i f i c a n te n e r g ys a v i n g h o w e v e r , s i n c 七v a vs y s t e mi sm u l t i v a f i a b l e ，s t r o n g l yc o u p l e d ， n o n l i n e a ra n dt i m ev a r i a n t , i t sd e s i g n , p e r f o m m c ea n dm a n a g e m e n ta r em o r ed i f f i c u l tt h a nc a v s y s t e m s ，a n ds t a b l ec o n t r o lo f t h ee n t i r ev a v 科s 胁i sf o c u s e di np a r t i c u l a ri nc h i n a a c c o r d i n gt ot h ec o n d i l i o mt h a tt h ea i rh a n d l i n gu n i t s ( a h u ) h a sc o u p l i n gv a r i a b l ea n di s d i f f i c u l tt oo p e r a t es t a b l y ，b a s e do na n a l y s i n ga n dc o m p a r i n gm a n ys c h e m e sa b o u td e c o u p l i n gc o n l r o l o fm u l f i v a r i a b l es y s t e m , t h i sp a p e rp r e s e n t s al h - o r d e ri n w r s es y s t e mb a s e do na r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r k ( a n n ) t od e c o u p l ea n dc o n l r o li h ep l 锄t f i r s t l y , t h ep a p e ra n a l y s e st h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l e s a n ds t u d ya l g o r i t h mo fb pn e t w o r kw h i c hi su s e dt od e c o u p l i n gc o n t r 0 1 m 0 d e h n gw i t hn e u r a l n e l m f o f k 锄du s i n gs e r i a l - p m - a l l e li d e n t i f i c a t i o ns t r u c t u r e , t h ea u t h o ro b t a i n st h et w om p u ta n dt w oo u t p u t d y n a m i cn e u r a ln e t w o r km o d e lo f s u b s y s t 锄f o r m e db ym o n i t o r i n gv a r i a b l ef r e q u e n c y - - p r e s s u r ea n d f r e s ha i rv a l v e - - c o n s i s t e n c yo f m d c o r sc o bo f a h u t h ea u t h o ro b t f l i b st h ei n v e r s ed y n a m i cn e u r a l n e l m ，o r km o d e lo f a h uo f f - l i n e , a n du s et h ed y m n i cm o d e lt ot e s t i f yt h ef e a s i b i l i t yo f i n v e r s es y s t e m s o p e n - l o o pd e c o u p l i n gb ys i m u l a t i o n u s i n g t h es o l , w a r ea n dh a r d w a r es u p p l i e d b yj o h n s o n c o n t r o l s , p r o g r a m m i n gt h es 0 1 r a r eo fd e c o u p l i n gc o n 拄o la l g o r i t h mu s i n gv b d d e m e t a s y s m o d e , t h ea u t h o rp r o v e st h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e c o u p l i n gc o n l r o ls c h e m eb a s e do na n n 山删e r i n v e r s es y s t e mt h a ta p p l i e dt ot h ev a vs y s t e mt h r o u g he x p e r i m e n t t h er e s u l t sa r es a t i s f y i n ga n d c a nb e u s e di ne n g i n e e r i n gl a t e r 2 西安建筑科技大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：v a r i a b l e - a i r - v o l u m ea i r - c o n d i f i o r 曲g 母咖m u l t i v a r i a b l ed e e o u p l i n gc o n l r o l d y n a m i cd a t ae x c h a n g e n e u r a ln e t w o r ki d e n t i f i c a t i o n d e c o u p l i n gc o n t r o lb a s e do na n n dt h 。o r d e ri n v e r s es y s t e m t h e s i s ： a p p l i c a t i o nf u n d a m e n t a l t h e p a p e r i ss u p p o r t e d b y s c i e n c e r e s e a r c h f o u n d a t i o n o f e d u c a t i o n b u r e a u o f s h a a n x i p r o v i n c e 3 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导i i l t l 导下 进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特 别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他人在其它单位已 申请学位或先其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志 对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关 责任。 论文作者签名：搠钦晕 日期：a 内 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文 被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：钥诙牟导师签名：f 幺灰多日期：z 7 z 、 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 变风量( v a v ) 空调系统概述 1 1 。l 交惩量( 张￥) 空调系统懿溉念 随着人们工作嫩活环境的不断提商，建筑物能耗越来越大。欧美国家的建筑物能耗 已占全国总能耗的3 0 左右。一般办公楼能耗分配为：空调占整个办公楼能耗的5 0 ， 其中冷热源使用能爨蠢4 0 ，输送系统蠢6 0 t z l 。所以，采用有效的空气调节方式对智 建筑弱e m c ( e n e r g ym a n a g e m e n tc o n t r 0 1 ) 系统苓旋其鸯黧簧意义。 众所周知，交风爨空调系统是遥过改变送风量而不是送风滚度来调节稻控铽菜空 调区域温度的一种窝调系统。然而这怒一个并不严谨的定义，如果据以认识、理解、设 计、评价变风量系统会面临很多问题。下面简要介绍下变风量空调系统的概念。 按处理空调负旖历采用的输送介痰分类，变风量( v a v ) 空调系统是属于金窑气式 空灞方式，鞠全空气鬃绫豹一耱。该系绞蹩逶过交燕量黎谖繁送入雳藏豹袋羹袋灏秘菇 混合比，并相应调节空调机组( a h u ) 的风量或颏回风混合醚：来控制某一空调酝域温度 的空调系统。 上面提到，变风擞空调系统是全空气系统的一种，然而变风量空调系统在众空气系 统家族中的位置劳没蠢鲳确。因此，我 】霄必要考察全空气系统豹分类，文献【3 】对诧类 系绕懿论述，觅下袭。 表1 1 全空气系统族谱 l l 全空气累辅 l l 定风戮 变城麓： 定风溅 甓城赣 毫蕊羲 褒溅j e 害熙斌 站风遭定飙量系娩i 撇岚遒定风璧最绒 最菇道变城量蓉缆 参区壤定蕊量幕绫 当区域变最璧聚镳 寥区域多层式幕娩 蚺区域 够区域 脊通式 蔫热 掰导 域搬动力 双导管 町变教筑嚣 藿；系囊陵雯遭城鹾，|弋 琏塾 ，l，； 道 域 风 区 飘 多 西安建筑科技大学硕士学位论文 由表1 1 可知，根据变风量空调系统在全空气系统中麴饺霞分类，变风量空调系统 霹基本分舞攀罴遽、双菇遂嚣多区域系绫三薅。嚣冀孛摹风邋交蹶量空淫系统又哥分鸯 褥热、诱导、风机渤力、双导管和可变激流器等几种调节方硝：。 通过分析变风嫩系统在全空气系统中的位置，我们基本上可以明确其在空调系统中 的“地位”了，为谶步的分析和研究奠定了可以“追根溯源”的基础。 l + 1 2 交风量( 张y ) 空谖系统熬基本瓣i 瀵及组残 变风量( v a v ) 窳调系统是本世纪6 0 年代首先在美国出璃的。其基本原理为：固定 送风温度，通过改变送风量来满足室内负荷的的变化“”( 肖的文献谈到也可同时改变 遴风温度以节能“”】 “) 。因空调大部分时间在部分负荷下运行，从而风量的减少带来 了戆裁的降低。珏方7 0 年代爆发的能源筑钒使变风量系绞程美国褥以推广，并农其后 2 0 年中不舔发震，溅经成秀美国空调累绞豹主流，莠在其镌潮家也褥到褒强。嚣穗，宅 难成为现代商业建筑中空调系统最流彳予和最有效的方式。 变风量( v a v ) 定调系统由空气处理机组( a i r h a n d l i n gu n i t s ，a h u ) 、送风系统( 主 风管、支风管) 、来端装置( t e r m i n a lu n i t s ) 和送风散流器以及必要的自控装鬣五部分 缀残。其中末端装黉楚交最量系统豹关镳设备，它可以接受濑浸调节器的指令，缀据室 澄的高低，鑫动调节送菇量，戳满是塞痰受蘅静需求。冀窀缀戒部分与定风量空谎系统 的作用基本相同。网1 1 是一个单风邋黛风量( v a v ) 空调系统的结构原理图n 豳1 i变风量( v a v ) 空调系统的结构原理图 1 新风门2 混风门3 排风门4 ，过滤器5 淡冷器6 喷淋器 7 。交频斑祝8 。v a v 末端装鬣9 温度转感器 1 0 送风散流器 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 1 3 变风量( r a y ) 空调系统的特点及使用场合 变风量( v a v ) 空调系统可根据空调负荷的变化以及室内要求参数的改变，自动调 节空调送风量，以满足各个被调空间的要求，同时根据实际送风量自动调节送风机转速， 最大限度减少风机的动力，节约能量。因此，变风量( v a v ) 空调系统具有如下优点： ( 1 ) 减少空调风机的运行能耗 由于空调系统在全年实际运行的大部分时间内处于部分负荷状态，变风量空调系统 相应的送风量随之减少，带变频驱动装置的风机大多数情况下在低速下运行。根据理论 计算，空调风机的电力消耗全年平均可降低5 0 以上。 ( 2 ) 充分利用室外新风作为冷源，降低制冷系统的运行能耗 由于变风量空调系统是全空气空调系统，在任何季节，只要当室外新风的焓值低于 室内值时，室外新风就可以作为系统冷源，变风量空调系统就可以在经济循环模式下运 行。 ( 3 ) 能量动态转移，实现综合效益 变风量空调系统节能很重要的一点在于变风量空调系统在设计时充分考虑了瞬时 负荷及内外区的热平衡。变风量空调系统的设计是真正基于逐时负荷的设计，系统可以 根据需要随时调节分配到各个区域内的送风量和供冷量( 或供热量) 。变风量空调系统 通过回风的混合可以实现能量在区域之间的流动，内区的一部分得热可以转移到外区。 这就是所谓的热平衡。 据统计，在一般的办公楼及商用建筑中，采用变风量空调系统设计通常可以减少制 冷设备总容量的1 0 至3 0 ，带来的直接和间接的经济利益非常可观。 ( 4 ) 局部区域灵活控制，消除末端再热能耗 末端装置根据区域负荷变化或个人舒适要求自动调节送风量，避免了过热过冷现 象，基本消除了末端再热能耗。 ( 5 ) 变风量( r a y ) 空调系统是全空气系统( a i 卜a i r s y s t e m ) ，没有风机盘管凝 水问题和霉变问题。并可以充分利用新风来调节室内负荷变化而引起的室温变化。 虽然变风量( v a v ) 空调系统有以上优点，但大部分实际运行中或多或少地暴露出 一些问题1 。 ( 1 ) 对用户而言，缺少新风，室内人员感到憋闷，室内压力不易满足要求，室内 噪声偏大。 ( 2 ) 对运行管理者而言，系统运行不稳定，极难控制，个别工程节能效果不明显 ( 应属于国内工程界目前面临的主要问题) 。 ( 3 ) 对业主而言，系统的初投资相对比较大( 这是国内目前的情况，实际上，国 外变风量( v a v ) 空调系统的初投资比定风量( c a v ) 空调系统要小) 。 这些问题二十年前在国外都已讨论过并基本解决，它们属于变风量( v a v ) 空调系 统产生和发展过程中不可避免的问题，目前国内空调界也遇到了这些问题。但由于它的 巨大节能潜力，它们并没有影响变风量( v a v ) 空调系统的广泛使用，相信在不久的将 来，这些问题在国内也将得到完善的解决。 变风量空调系统的适用范围： 由于变风量空调系统特性优良和技术先进，它已经被广泛地应用于大量的工程实践 中。但在选择变风量空调系统时，应充分注意分析系统中冷热负荷的性质，并考虑系统 是否对风量有特殊的要求。通常变风量空调系统对于室内负荷变化较大的舒适性智能化 建筑非常适合，如办公室、银行、会议中心、商场、宴会厅等。对于另一些特殊场所， 如果室内负荷变化不大，通风要求较高时，使用定风量空调系统可能是更好的选择，例 如在医院手术室、实验室、工业机房等。 1 2 国内外变风量( v a v ) 空调系统的现状及研究热点 1 2 1 国外变风量( v a v ) 空调系统的运行现状及研究热点 变风量( w ) 空调系统在国外运行已有三十多年的历史，目前已成为商业建筑中 最流行和最节能的空调系统1 9 1 ，但它正是在不断发现问题和解决问题中成长成熟的。国 外空调工程师首先遇到的问题也是变风量( v a v ) 空调系统运行的稳定性和节能问题， 为此，出现了应该选用压力有关型的末端装置或是选用压力无关型的末端装置之争，有 专家认为应选用压力有关型的末端装置来保证系统的稳定运行1 1 0 】i 】，也有人认为选用压 力无关型的末端装置效果更好1 1 2 1 。尤其是随着直接数字控制d d c 的出现【13 j 和末端装置 性能的提高以及控制策略的改进，从近两年的文献可以看出，压力无关型的末端装置已 普遍使用f 5 】【1 4 】【9 】1 1 5 6 】，基本上采用变频变静压方式控制风量，从而达到稳定运行和节能 的目的。其次，以最小新风量满足室内空气质量( i n d o o ra i rq u a l i t y , i a q ) ，目前仍是研 究热点【2 7 】【2 8 】。同时研究人员还关注变风量( v a v ) 空调系统模型的建立【1 7 1 1 9 1 1 1 4 1 1 9 1 和控 制策略的研究【2 0 】【2 1 1 ，并取得了一定的成果。总之，变风量( v a v ) 空调系统在发达国 家高级办公大楼中已经得到广泛的使t 2 2 1 1 2 3 1 1 2 4 1 f 2 5 l f 2 科。 1 2 2 国内变风量( v a v ) 空调系统的运行现状及研究热点 国内变风量( v a v ) 空调系统严格应分为内地和香港地区两部分来谈。香港地区的 西安建筑科技大学硕士学位论文 变风量( v a v ) 空调系统与国外情况相似，据统计香港地区近期著名建筑物有7 0 8 0 采用变风量( v a v ) 空调系统，并且前面谈及的研究热点和成果中香港占一定比重，所 以，这里不再重述。 内地变风量( v a v ) 空调系统9 0 年代中期在上海出现。上海市9 0 年代兴建的数百 幢办公大楼中，变风量( v a v ) 空调系统约占6 ，仅限于少数高级办公建筑2 9 1 。北京 市大型建筑近几年相继采用变风量( v a v ) 空调系统3 0 】【3 l 】f 3 2 】。具体运行现状如何? 文献 2 6 在对上海市的变风量( v a v ) 空调系统做深入调查的基础上，说明了上海市变风量 ( v a v ) 空调系统目前的运行现状和面临问题，并提出了解决问题的看法，可以作为内 地变风量( v a v ) 空调系统运行状况的代表。国内变风量( v a v ) 空调系统多采用压力 无关型末端装置。 国内变风量( v a v ) 空调系统的相关研究文献始于9 0 年代中期“。前期研究焦点集 中在变风量( v a v ) 空调系统的稳定运行上。2 “蚓。”。6 1 ，它是变风量( v a v ) 空调系统正 常运行的最基本的问题，但始终没有找到一个圆满的解决方案，从上海市变风量( v a v ) 空调工程仅有1 2 个运行情况较好，其余均不理想。”就可看到这一点。原因在于变风 量( v a v ) 空调系统的控制比定风量( c a r ) 空调系统要复杂得多。在系统稳定运行的基 础上，节能问题便摆在了人们面前，专家们提出了各种各样的节能运行控制方式 n u ”“”m ，但这些研究成果基本上是在仿真软件下完成的，目前国内采用的控制方式 基本上仍是定静压控制方式。研究热点关注在最小新风量控制问题上“”“，与国外的研 究状况比较接近。但我们有不足之处，比如：不考虑被调空间的湿度条件、对变风量( r a y ) 空调系统的模型等这些直接关系系统运行性能的问题研究不够。但是，国内也有新的发 展，例如，提出了基于总风量的控制方式”“2 3 和变风量冰蓄冷空调系统。 总之，目前变风量( v a v ) 空调系统在我国处于推广阶段，设计和使用经验还很不 成熟，正如李志浩教授所言，国外一些公司在国内工程中之所以未能取得成功并不是变 风量系统本身存在问题，而是由于一系列其他问题，如设计、调试、维护、管理等方面 问题未能很好的解决而导致的“。所以，目前国内亟待解决的问题是确保v a v 系统的稳 定运行，在稳定运行的基础上再达到最大节能，这需要借助于性能优越的控制系统和先 进的控制策略。 1 3 变风量( v a v ) 空调系统常用的控制方式 变风量空调系统的设计和控制系统的设计是密不可分的。变风量( v a v ) 系统的控 制相对于定风量( c a v ) 系统的控制要复杂的多，主要原因是末端变风量装置( 即v a v b o x ) 不断调整房间送风量，从而引起机组部分送风机不断进行转速调整，引起定风量 西籍张筑科技丈学硕士学位论文 系统不罄遇到豹诲多阅矮。强1 , 2 是舆楚攀风遂变照量控制系统的结构示意圈1 2 引。 煞蓬中哥戮鬟蹬，这拿控裁系统剪六个反溪控胬窝黯靼室滠控襞，送嚣静压控制、 送话风量匹配控制、薪捧风量控截激及送风温度控裁、送风温度控制。它们燕变风量空 调控制系统的必聂钒成部分。此外，系统遥会有预冷、预热铸其它控制。实际上，这六个 网路之间存在耦合“”“州”“2 ”，但为了僵予说明问题，此处认为各控制回路独立。系统的 工终琢理是，夏攀，当禁令房蠲豹滠痰低予浚定蓬辩，溢发控魁器载会调节变风爨寒端 装置孛嚣嚣瓣开黢减少送入该房褥秘风爨，蠹于系统疆力增热，孽i 踅送藏静愿舞簿，当 静压超过设定值时，静压控帝器通过调节风机转速减少系统的总送风量。送风鬣的减少 罨t 致送回风量差值的减少，送回风量熙配控制器减少回风溅以维持设定值。同时，为保 诞送风温度和湿度，褒冷器冷冻水流擞和加湿气流量相应减少。风道压力的变化将导致 叛捺最量魏夔交纯，控镄器将谲蕊毅鼹、灏甄黎撂最瘸来像涯藏撵最量。当痨瓣溢滚嘉 予设定筐对，调节避程穗爱。霹燕，鑫魔阅魏最董诿节饔系统憨甄耋疆节是变熙餐( v a v ) 空调系统的控制关键，其它回路调节必须紧密配合才能便变风量( v a v ) 空调系统正常 工作。 圈1 2 单风道交风蠼系统控制系统的结构岽意图 f ：淡擞转感器p ：压力传感器了：湿度传感器h ：湿疫传感器 攥据这个控涮强理，蓍蠢努交风羹( v a v ) 窒诿系统控翎方式主要毒菰下兰耪： ( 1 ) 定静舔控镒方式 所谓定静压控制就是通过调节风机转速来保持风道上策点( 如图l 。2 所示的p 测 定点) 韵静压恒趟水变。从而保证各个束端装置进行风爨调节时其它末端裟溉程该设定 静送餐下都哥获褥爨瞬器甄塞。它怒交风耋( v a v ) 空调系统最早使用的控铡方式， 在敬美没谤南浜沈较滚孬8 。壹予该方式已有多年黪运行经验，透筵嚣离蔷道使臻豹爨 魑这种方式娜1 。 西安建筑科技大学硕士学位论文 虽然该控制方式原理简单，但其存在缺点，突出表现在系统的压力检测点在工程实 际中很难选择，通常只能选用折衷点而非最佳点“，如果该设置点没有代表性会使变风 量( v a v ) 空调系统调试困难”1 ；其次，系统达不到最佳节能效果“2 “。“”“。所以， 这种方式在日本设计市场已不被采用，其它国家的设计市场也逐渐被取代”1 。 ( 2 ) 变静压控制方式 变静压控制是在定静压控制的基础上，不断的改变送风静压设定值，在保证系统送 风量要求的同时始终保证系统中至少有一个末端装置的风阀至于全开状态，即尽量使静 压保持在允许的最低值。变静压控制方式虽然仍属于静压控制方式，但与定静压相比， 它显然可以节能。因为定静压控制方式下，系统在低负荷运行时，末端风阀不得不关小 开度以减小风量，此时消耗在末端装置上的静压显然要比风阀全开状态提供同样大小风 量所需静压要大。所以，变静压控制可以大大节省风机能耗。变静压控制也称作最小静 压控制，它是当今国内外变风量( v a v ) 空调设计时关注的热点，这方面的研究国内外 都很感兴趣邶叭5 m 3 。 但变静压控制的一个关键问题是通过何种手段来重新设定静压值。，这是变静压控 制所面临的比较棘手的问题。文献 1 2 提出了v a vb o x 集中控制的方案，文献 1 3 1 5 在d c s 控制系统的基础上提出了根据末端风量的极限报警来重新设定风道静压的控制策 略。文献 5 提出了针对模拟式自动控制器的试错法控制策略和针对数字式自动控制器 的计算法控制策略。文献 6 提出了基于d d c 控制系统依据各末端风阀的最大开度个数 实行静压优化的控制策略。文献 7 提出了总风量前馈。静压反馈的变静压控制策略。 文献 3 1 3 9 根据v a v 末端开度阻力特性总结出了一套变静压设定的算法。但这些 控制策略都有待工程进步验证。 ( 3 ) 总风量控制方式 前面谈到的两种控制方式都属于静压控制方式。但由于压力控制环节和末端流量控 制环节存在一定的耦合特性，所以容易引起系统的压力调节震荡现象。如果摆脱压力控 制，而又能很好地实现对风机的变频调节，则可克服震荡现象，因此，国内学者便提出 了基于总风量的控制方式。”“。 所谓总风量控制就是根据各末端设定的风量之和调节送风机转速，以满足各房间所 要求的的风量。该控制法与静压控制的主要区别就是总风量控制法不再监测、调控静压 点的压力值，而是直接统计各末端要求的风量之和，据此总风量来调节风机的转速。该 控制方法需借助于现代建筑b a s 的d c s 控制系统，它属于前馈控制方式“。 文献 3 1 4 2 对该控制方式做了比较详尽的研究并与两种静压控制方式做了对比， 认为该方法简单有效，节能效果处于定静压和变静压之间，弗举出了一个结果令人满意 西安建筑科技大学硕士学位论文 的工程实例。但有待更多的工程验证。总风量控制法在国外的文献中未曾提到过。 除了这三种控制方法外，有关文献还有定静压变温度法、变静压变温度法等提法m ， 其基本原理都可归于上述三种方法中的一个，这里不在赘述。变风量( v a v ) 空调系统 的三种方法，各有自己的优点和不足，实际工程中定静压控制仍是最常采用的控制方式 【3 2 】【2 5 】 3 钔【3 卵 1 4 课题背景、本论文要解决的问题以及作者的主要见解 本课题是陕西省教育厅科研基金项目变风量( v a v ) 空调系统多变量解耦控制的 研究的一部分工作，针对变风量( w ) 空调系统的稳定运行进行研究。 目前国内大部分变风量系统均是采用多个独立回路的方式进行控制。在许多工程案 例中，每个回路单独调试和运行都较正常，但是所有回路都工作时，整个系统就不稳定 了。这类情况发生在国内一些金融、商务重大建筑中已屡见不鲜。这是由于变风量( v a v ) 空调系统是多变量系统，它的各个控制回路之间具有耦合作用，相互影响，相互干扰。 把各个回路看成互不联系，进行独立设计，显然存在着隐患。如何解决多回路之间的耦 合，以达到稳定的运行是课题研究的主要内容。 针对国内变风量( v a v ) 空调系统采用多个独立控制回路方式进行控制所遇到的难 以稳定运行问题，本论文研究的主要内容是如何解决部分回路间的耦合，以达到系统稳 定运行。论文对神经网络辨识和神经网络控制以及西安建大一江森( j o h n s o n ) 楼宇自 控实验室变风量( v a v ) 空调自控系统的实现方案进行了简要介绍，并在国内外变风量 ( v a v ) 空调系统研究的成果的基础上，通过基于神经网络的系统辨识方法建立了变风 量( v a v ) 空调系统机组侧( 两个回路) 的动态模型。根据逆系统的思想，采用神经网 络逆系统辨识的方法得到以上两个回路的逆模型，结合神经网络控制原理，实现了对变 风量( v a v ) 空调系统机组侧进行了神经网络a 阶逆系统解耦控制。 作者的主要观点是，由于变风量( v a v ) 空调系统是一个具有强祸合、分布参数、 非线性和参数时变的复杂多变量控制系统，采用经典控制手段往往无法圆满解决现有的 问题，以系统论的观点来认真分析变风量( v a v ) 空调系统的特性，同时兼顾实用性， 寻求新的解耦设计方法。把逆系统设计、神经网络控制等智能控制技术融入解耦控制中， 是建立变风量( v a v ) 空调系统有效控制的一种良好方案。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 基于多层前馈神经网络的过程辨识 系统辨识问题实际上是一个优化问题。优化准则的选取依赖于辨识的目的与辨识算 法的复杂性等因素。传统的辨识方法的基本原理，就是通过建立系统依赖于参数0 的模 型，把辨识问题转化为对模型参数的估计。这类算法较为成功地应用于线性系统或可线 性化的系统的辨识。对于本质非线性系统，它的模型很难化成最d , - - 乘格式( 即关于参 数空间的线性模型) ，而使用神经网络进行系统辨识不需要预先建立实际系统的辨识格 式，使非线性系统的辨识成为可能。本章将叙述在神经网络逆系统解耦中应用的多层前 馈神经网络及其b p 算法实现过程的神经网络辨识。 2 1 多层前馈神经网络结构 2 1 1 概述 人工神经网络( h r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ，a n n 或n n ) ，是对人脑或自然神经网 络( n a t u r a ln e u r a ln e t w o r k ) 若干基本特性的抽象和模拟。或者说，人工神经网络技 术，是根据所掌握的生物神经网络机理的基本知识，按照控制工程的思路和数学描述方 法，建立相应的数学模型，并采用适当算法，有针对性地确定数学模型的参数( 如连接 权值，阈值等) ，以便获得某个特定问题的解。 神经网络是由大量的神经元按一定的拓扑结构和学习调整方法所构成的。它是一个 具有高度非线性的超大规模连续时间动力学系统，其主要特性如下： ( 1 ) 分布存贮和容错性。信息在神经网络内的存贮是按内容分布于许多神经网络 中，部分信息丢失仍可以使完整的信息得到恢复，因而网络具有容错性和联想记忆功能。 ( 2 ) 可塑性、自适应性和自组织性。神经元之间的连接具有多样性，各神经元间 的连接强度具有可塑性，因而网络可以通过学习与训练进行自组织，以适应不同的信息 处理要求。 ( 3 ) 并行处理性( p a r a l l e lp r o c e s s i n g ) 。网络的各单元- i n n 时进行类似的处 理过程，整个网络的信息处理方式是大规模并行的。 ( 4 ) 层次性。信息在不同层次的神经回路中逐级进行加工和处理。同时神经网络 具有一般的非线性动力学系统的共性，如不可预测性、不可逆性、多吸引子、可塑性、 耗散性等特性，因此神经网络实际上是一个大规模、非线性、连续时间自适应信息处理 系统。 g 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 。1 + 2 棒经溺终热基本擎元 神经网络是由大爨戆 争经元耦蠹述袋蕊残黪霹络。聿枣经元是裤经蕊络黥摹本处理单 元，它是一个多输入、单输出的非线性器件，神经元的数学模型如图2 i 所示。 x l x 2 ； x n 强2 。l 枣枣经嚣数学模型 冀输天赣蠢美黎霹簿凳箍述灸： * s ，= 一，一色 ( 2 一1 ) ；l z = ，( s ，) ( 2 - 2 ) 式中：x ， = l ，2 ，n ) 荧从茭宅襻经嚣绩来豹输入镶号，谚巍阕毽，挣i 魏从 拣经元j 囊裤爨元i 黪连接援蓬。 ( ) 为簧递丞蘩( 苇煮律魇透数) 。零露黪摊经元菲 线性函数有高斯蹲数，阅值性函数，s 状曲线，分段线性函数等。 从控制工程角麟来看，为了采用控制领域中相同的符母和描述方法，可以把神缀元改 变成图2 2 所示的形式。该模型有三个部件： ( ) 一个麓投懿麓法嚣 ( 2 ) 线性动态单输入萃输出( s t s o ) 系统； ( 3 ) 静态非线性函数。 h 勤：玫 也； ， 凋2 2 辛牵经霞模型框强 囊惑蠡法嚣胃袭暴露； q o ) = 嘞y ，( f ) + 芝颤十w ，( 2 - 3 ) 溅中y 是所有单党的输出，为外部输入，a q ，脚梢成的权系数，帆为g - 数，式歹= l 孟郧，k = l ，叁一、埘。令翱投熬翅法器攀嚣弼以方捷蟪表示藏蠹爨鞭蓐形 式： v o ) 。a g ( t ) 十嚣静( f ) + 鞯( 2 - 4 ) 斌中v 为n 维列向徽，g 为n 维向鬣，“：j ：i m 维向量，a 为距阵，b 为n m 距阵，w 为n 维常向量，它w 以与封合在一起，德也可如上式分开列出。 线毪动态系统憝惑辩线建系统潦入建甍，赣鑫戈茸，羧镱递趱鼗形式接遴为 毒= h 国霹磅 穆s 。e 浅表示为拉氐辍摭形式。在眩蛾，秘，5 ) 变成 戈，2 【。h ( t f ) v j ( f ) d r ( 2 - 6 ) 斌孛鼙j 霹瑟蠹寥稳竣了疑羹交攫建。 膏五耱零攘瓣秘袤簿爱蕊辩液翁簿簿睡鼗嚣表懿下； h ( s ) = 1 矗( f ) = 8 ( 0 h c s ) = h ( o = ：! - 嚣 荆= 二t + s t磊g = 严t 叫7 攒o ) = 二矗和) = 土# “梅编弦 口o s + q h ( s ) = e 。7 h ( t ) * 8 ( t t ) 上封表达式中，艿憝狄挝竟艿爱数。在黠域中，麴应豹输入糠出关系为 零= 毽嵇 毒章= m $ 强o ) + 薯p ) = v t )( 2 7 ) a o 受，( f ) + q 薯( f ) = ( f ) 长) = v ；( t - 玲 燕一、二褰三黧彩裁耩楚雾霞转形式翡褥豫簿嚣。毽鬣随藤鼗藜薅藤囊悫系绞，凝懿： a 0 x i 8 + 1 ) 十龋聋。9 ) = 毪秽)q 。g j 西安建筑科技大学硕士学位论文 i l l 这里f 是整时间指数。 静态 线蛙涵数苫( ) 虿致线整动态系绞辕窭善，绘窭模蘩瓣辕窭： y ，( ) * g ( x ，)( 2 - 9 1 常用的非线性函数的数学表示及其形状如表2 1 所示。 对于这些非线性萌数，有几种分类方式： 1 )w 微和不可微； 2 )类躲 孛霸类除获； 3 )藏函数和零均函数。 表2 1 非线性函数 特 名称公式 图形 难 j 不霹微， g ( x ) 闽值类阶跃， g ( 并) = i 岔 难。 0 罐；微，彦( x ) 溺毽蹙阶跃， * 髓萎 零均。 o 7 x w 微，类 g ( x )：；5 一一 s i g m o i d羧跃。 g 。) = 专 ， r 工 斑 0 w 微，类 j- 双曲正切阶跃，零g ( x ) 。t a i l h ) g ( x ) 。= ：= !o 均。 一1戈 w 微，类 g ( x ) 篇e 一( 。2 居 f g o j 高斯小 。 脉冲 - i 1 0 + l 卫 第一种分类怒区别平滑函数还是黢嫩数，菜些自适应算法，如反传网络需要平滑函数， 嚣鼹绘窭二遂潮数瓣麓终鹚霪要蚕连续邋数。 第二种分类憝隧分当输入在零附谶静数是大的输出蕊逐楚大的改变。 第三种分类魑关于类阶跃函数。溅函数由一o o 处为零嶷到在+ o o 处为i ；零均函数 l2 蕊炭建筑科技大学硬士学位论文 从一o o 处为一1 变到+ 处为l 。 表2 。l 中所列的非线性函数捆溉之间存在着密切的关系。w 以看到，s i g m o i d 函数 葶拜t a n h 遁数是楣能鹣t 靛耆范围菇0 列l ；两后袭范围跌一1 戮+ l ，阕毽甄数氇蘑看成 s i g m o i d 释t a n h 函数漤蕊豹投限。类躲 串涵数霹敬获可锾秘燹泠凝函数中产象，爱之亦然。 2 1 3 多屡前馈神经网络( b p 网络) 的基本原理 运蔫谈差反两传攒学习算法( b a c k p r o p a g a t i o nt r a i n i n ga l g o r i t h i n ) 豹蔻馈多 层网络，通常称为b p 网络。b p 网络是正向、各联相互全逢结的网络。对于输入信号， 要经过输入层，向前传递到隐层节点。经过作用函数后，褥把隐朦节点的输出送到输出 蘑节焘，最惹绘整簸纛绦粟。这令瓣终豹算法( 学习逶援) 痊_ 纛寝转疆瑟爱瓣黎矮嚣帮 分组成。在正向传播过獠中，输入储母从输入层缀隐层单元逐层处理，并传舰输出层， 每一层毒枣疑元的状态只影响下一屡棒疑元状态。农输出层输融壤号与期望德进褥比较， 懿粜存在误差，刘姆谈麓浴骧来造接豹释径返回，逶过修敬鼷闰器节点的逐接投值，使 误差信号减少，直至把误差限定在预先规定的范围。由于b p 潮络具有报强的的非线牲 映射能力，适于建立系统模型，且结构简单，工作状态稳定，易于硬件实现，是目前应 瘸簸是广泛戆一耱入王耱经溺终。箕节煮瓣蒋爱凑数逯鬻逸蠲s 爨函数，翔： f ( x ) = 嘉( 2 - - 1 0 ) 输入层 输出屡 图2 ，3 葳传学习邋稷原理图 图2 。3 给出反传学习过程原理圈。b p 算法是种有教师的学习算法，邀种算法实质 楚一种最，l 、二乘算法豹缀陡下降撵旋。 在圈2 。3 孛：设浚入囱量为n 缭，帮x 霆“。x = ( 蜀，x 2 ，羔。) 7r 辕入整爵 13 西安建筑科技大学硕士学位论文 以是离散量 o ，1 或 _ 1 ，1 ) ，也可以是连续量； 经元，于是该层输出向量g r ，g = k 。，g ：， 网络含有两个隐层，设第一隐层有个神 g 。p ，第二隐层有”：个神经元，其输出向 量h r