基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制系統(tǒng)仿真

王 爽，周曉冬，董 晶

(1.吉林建筑科技學(xué)院管理工程學(xué)院，吉林 長春 130114；2.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

1 引言

在我國的建筑能耗中，建筑能耗是占比非常大的一部分。隨著“零能耗建筑”的提出，對建筑的節(jié)能設(shè)計顯得尤為重要。然而，零能耗設(shè)計僅在理論上可行，完全零能耗將會導(dǎo)致建筑成本的大幅提高[1-3]。目前，“近零能耗建筑”被廣泛認(rèn)可。由于我國的氣候特征、居民生活習(xí)慣的不同，發(fā)達國家的相關(guān)指標(biāo)體系不適用于我國。因此，近零能耗建筑要根據(jù)我國的氣候特征和實際條件，通過對建筑能耗的控制，使建筑能耗消耗量盡可能地降低，使居民在所處環(huán)境舒適的前提下，建筑能耗也能降到最低。近零能耗建筑初建增量成本較高，平衡好近零能耗建筑的增量成本與經(jīng)濟效益的關(guān)系，評價建筑節(jié)能效果，提高近零能耗建筑能耗的控制效果，是目前亟待解決的問題[4-6]。

目前，關(guān)于近零能耗建筑的能耗控制方法仍然存在一定的不足。比如，基于BIM的建筑能耗控制方法[7]、基于指標(biāo)控制的建筑能耗控制方法[8]、多參數(shù)聯(lián)合控制法[9]，其中，基于BIM的建筑能耗控制方法主要通過建筑信息管理模型對建筑能耗實施控制，基于指標(biāo)控制的建筑能耗控制方法主要通過對能耗控制指標(biāo)對建筑能耗實施控制，多參數(shù)聯(lián)合控制法主要通過設(shè)置溫度傳感器參數(shù)對建筑能耗實施控制。由于上述傳統(tǒng)方法均存在能耗控制效果不夠好的不足，需要對其作出進一步研究和改進。模糊PID控制方法具有使用方便、適應(yīng)性強的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用在多個領(lǐng)域?；诖耍O(shè)計一種基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制系統(tǒng)，并通過仿真驗證了提出的基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制系統(tǒng)的能耗控制效果更好。

2 基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制原理

提出的基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制系統(tǒng)的原理如圖1所示。

圖1 自適應(yīng)模糊PID控制器原理示意圖

如圖1所示，把控制系統(tǒng)得到的偏差信號和偏差變化率送入模糊控制器，將其模糊化處理，把模糊化的信號根據(jù)模糊推理規(guī)則進行模糊運算，得到模糊結(jié)果，最后，將其通過修正變成常見的準(zhǔn)確值[10]。綜上所述，完成了自適應(yīng)模糊PID控制原理，根據(jù)該原理完成了基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制系統(tǒng)的設(shè)計。

2.2 基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

如圖2所示，基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制系統(tǒng)硬件主要包括控制中心計算機、模糊控制器、PID控制器、數(shù)據(jù)采集卡、傳感器等，下面對其具體分析。

控制中心計算機：作為基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制系統(tǒng)硬件部分的核心，對整個控制系統(tǒng)起著核心控制作用，所有數(shù)據(jù)顯示、存儲和監(jiān)測均由該部分控制[11]。

傳感器：安裝在能夠準(zhǔn)確反映建筑物溫度等能耗信息的位置，能夠獲取近零能耗建筑物的能耗相關(guān)信息。

PID控制器：通過對建筑能耗控制系統(tǒng)中的冷熱源、空調(diào)等能耗裝置實施控制，從而實現(xiàn)對近零能耗建筑的能耗控制。PID控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 PID控制器結(jié)構(gòu)圖

模糊控制器：采用專用的模糊芯片，對PID控制器實時開展模糊推理等工作。

數(shù)據(jù)采集卡：數(shù)據(jù)采集卡采集獲取從建筑物不同位置的傳感器的數(shù)據(jù)，將獲取到的數(shù)據(jù)傳輸至PID控制器，PID控制器對其預(yù)處理后，通過模糊控制器，將處理過的建筑能耗數(shù)據(jù)傳輸至計算機。

通過上述硬件設(shè)備，完成基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制系統(tǒng)硬件設(shè)計。

2.3 基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

在完成系統(tǒng)硬件設(shè)計后，對系統(tǒng)軟件開展設(shè)計?；谀：齈ID的近零能耗建筑能耗控制系統(tǒng)軟件包含多個模塊，其中，用戶登錄模塊用于驗證用戶身份，其實現(xiàn)過程如圖4所示。

圖4 用戶登錄示意圖

如圖4所示，在用戶登錄后，控制系統(tǒng)會自動驗證用戶信息，匹配成功后用戶進入近零能耗建筑能耗控制系統(tǒng)的主頁面。如果用戶信息無法匹配，則無法進入近零能耗建筑能耗控制系統(tǒng)。根據(jù)角色將用戶分為普通系統(tǒng)用戶和系統(tǒng)管理人員，對不同角色的權(quán)限設(shè)置不用。普通用戶僅可操作數(shù)據(jù)查詢、保存，打印文件等功能，系統(tǒng)管理人員除了具有上述權(quán)限外，還可以操作建筑能耗信息管理、信息配置等功能。

采集模塊：通過溫濕度傳感器等儀表，每隔一定的時間采集建筑能耗的相關(guān)信息數(shù)據(jù)，通過規(guī)范協(xié)議，將數(shù)據(jù)信息和相關(guān)指令，實現(xiàn)實時傳輸。對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)解析、過濾等預(yù)處理，得到有效數(shù)據(jù)，將有效數(shù)據(jù)存儲至存儲模塊[12]。

建筑能耗控制模塊：在獲取建筑相關(guān)信息后，根據(jù)控制原理，采用自適應(yīng)遺傳算法對PID實施控制。具體算法流程如下：

首先，優(yōu)化控制器參數(shù)。對控制器參數(shù)作編碼處理。通過編碼，利用二進制編碼方式，將待優(yōu)化的控制器參數(shù)映射到編碼空間，編碼精度要求如式(1)所示

(1)

在式(1)中，p代表控制器參數(shù)取值上限，q代表控制器參數(shù)取值下限，m代表控制器參數(shù)的編碼長度，σ代表控制器編碼精度。將編碼精度設(shè)置為σ<0.08，利用式(1)計算可得編碼長度≥5。

按照控制規(guī)則，利用控制參數(shù)，實現(xiàn)對基于零能耗建筑能耗的控制，具體控制步驟如下：

首先，開展PID變量的輸入輸出工作。輸入變量為誤差E和誤差速度V，輸出變量為W。采用模糊推理方法作模糊判決。判決公式如下

(2)

在式(2)中，G代表PID控制器的控制規(guī)則，A，B代表控制參數(shù)，γc(W)代表控制規(guī)則Gi輸入的隸屬度函數(shù)值，Ci代表得到的相應(yīng)的輸出值。利用式(2)作模糊判決。之后，解模糊化，PID的模糊輸出為

(3)

根據(jù)式(3)，模糊PID控制器的實際輸出如式(4)所示：

w=αW+β∑Wi·Ts

(4)

在式(4)中，α代表比例因子，β代表積分系數(shù)，Ts代表采樣時間。利用自適應(yīng)思想，構(gòu)建自組織調(diào)整機構(gòu)，用于測試系統(tǒng)響應(yīng)過程中的誤差及其變化。

隸屬度函數(shù)和控制規(guī)則編碼的過程如下：利用遺傳算法，優(yōu)化各模糊子集隸屬度函數(shù)參數(shù)：

首先，用1～7代表輸入PID的輸入變量和輸出變量值，總共包含7*7條規(guī)則，49個待尋優(yōu)的隸屬度函數(shù)參數(shù)，每條控制規(guī)則用3位二進制編碼，控制規(guī)則編碼串長度為147位，需要考慮到的條件為：①對PID控制器的輸入變量的模糊論域作歸一化處理，如果控制系統(tǒng)的方向無特殊性，則控制規(guī)則庫具有對稱性。②根據(jù)控制規(guī)則，對其作相應(yīng)調(diào)整，將要優(yōu)化的控制規(guī)則減少至24個，編碼長度減少至72位，對控制參數(shù)實行統(tǒng)一編碼。

之后，選取適應(yīng)度函數(shù)，利用常用的ITAE性能指標(biāo)，作為遺傳算法優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)：

(5)

式(5)為時間乘以誤差絕對值積分，將其離散化后如式(6)所示。

(6)

在式(6)中，T代表采集能耗值的采樣時間，k代表能耗值的采樣次數(shù)，ei代表采樣時能耗控制系統(tǒng)的誤差。個體的適應(yīng)度越大越好，適應(yīng)度函數(shù)為

(7)

在式(7)中，N代表靈敏度控制參數(shù)，通常取值為1，通過上述公式，將極小值問題轉(zhuǎn)化為適應(yīng)度函數(shù)的最大值問題。

在完成上述操作后，針對其中的誤差，利用遺傳操作算子對其作進一步優(yōu)化。首先，剔除較差的個體，采用非線性排序選擇的兩點交叉法對PID控制規(guī)則和PID隸屬函數(shù)參數(shù)實行交叉操作，增大群體多樣性，加快最優(yōu)解的搜索速度；然后，對種群個體重組，使種群新增個體、增大可能解的搜索空間。在實行交叉操作前，對控制規(guī)則編碼串中的等位基因作比較，如果絕對差值小于2，則實行交叉操作，反之，則保持基因不變。之后，采取變異操作使種群個體的多樣性得以保留，抑制種群中個體早熟，通過自適應(yīng)調(diào)整交叉變異概率，完成遺傳操作，具體過程如下：

設(shè)種群的交叉概率用jc表示，種群的變異概率用jm表示，但jc過大或者過小都不利于種群的遺傳。jm過大或者過小都不利于種群新個體的產(chǎn)生。利用式(8)實行交叉變異操作

(8)

在式(8)中，i=c，m，當(dāng)滿足條件(favg/fmax)>a且(fmin/fmax)>b時，則認(rèn)為該代種群個體較為集中，則jc和jm根據(jù)集中程度，jc和jm自適應(yīng)變化，參數(shù)a的取值范圍為[0.5，1]，參數(shù)b的取值范圍為[0.2，0.5]，jc<1-fmin/fmax，jm<1-fmin/fmax可保證jc和jm的值小于1。將建筑能耗控制參數(shù)作為研究對象，利用上述自適應(yīng)遺傳算法優(yōu)化控制系統(tǒng)的控制參數(shù)，利用優(yōu)化的控制系統(tǒng)，對近零能耗建筑實施最優(yōu)能耗控制。

至此，根據(jù)模糊PID工作原理，通過硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，完成基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制系統(tǒng)的設(shè)計。

3 仿真研究

為驗證提出的基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制系統(tǒng)是否具有更好的控制效果，設(shè)計了對比實驗。

3.1 仿真過程

近零能耗建筑能耗控制系統(tǒng)用戶通過網(wǎng)址進入能耗控制頁面，根據(jù)頁面提示驗證用戶信息，登錄界面如圖5所示。

圖5 能耗控制系統(tǒng)登錄界面圖

在進入系統(tǒng)界面后，對近零能耗建筑能耗實施控制。利用Matlab開展仿真模擬，設(shè)置的建筑物參數(shù)如表1所示。

在表1的參數(shù)設(shè)置下，以近零能耗建筑的冷熱源控制為例，利用提出的基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制系統(tǒng)開展模擬工作。

為了證實提出的基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制系統(tǒng)的有效性，采用基于BIM的近零能耗建筑能耗控制系統(tǒng)、基于指標(biāo)控制的近零能耗建筑能耗控制系統(tǒng)、多參數(shù)聯(lián)合控制系統(tǒng)與提出的基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制系統(tǒng)作比較，觀察實驗結(jié)果，對比對建筑能耗的控制效果。

3.2 仿真結(jié)果分析

在建筑能耗控制中，以溫度控制結(jié)果為例，在對溫度的控制過程中，當(dāng)時間在5000s時，利用提出的基于模糊PID控制的近零能耗建筑能耗控制系統(tǒng)實施同步控制，得到的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 溫度變化情況的仿真結(jié)果

通過如圖6所示的同步控制，吸氣壓力的波動變化情況如圖7所示。

圖7 吸氣壓力變化情況的仿真結(jié)果

如圖7所示，通過對建筑溫度的同步控制，吸氣壓力的波動范圍由原來的0.3～3bar變?yōu)?.3～1.6bar，吸氣壓力的變化幅度減小近二分之一，說明控制系統(tǒng)很好的控制了壓縮機的啟動與停止，降低了壓縮機能耗，表明其具有很好的控制效果。

為驗證提出的控制系統(tǒng)是否具有經(jīng)濟性，對四種控制系統(tǒng)建筑能耗值作對比，根據(jù)能耗數(shù)據(jù)，利用能耗計算軟件計算能耗值，得到不同控制系統(tǒng)的能耗值。利用提出的基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制系統(tǒng)、基于BIM的近零能耗建筑能耗控制系統(tǒng)、基于指標(biāo)控制的近零能耗建筑能耗控制系統(tǒng)、多參數(shù)聯(lián)合控制系統(tǒng)對零能耗建筑能耗實施控制，得到的各個控制系統(tǒng)的能耗對比結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同控制系統(tǒng)的能耗值對比結(jié)果

如圖8所示，對比不同控制系統(tǒng)的能耗控制結(jié)果，通過對比發(fā)現(xiàn)，采用提出的基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制系統(tǒng)，建筑能耗值最低，與其它控制系統(tǒng)相比，能耗值可大幅降低，表明其控制效果較好。

4 結(jié)束語

本文研究了基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制系統(tǒng)，通過仿真驗證得出，提出的基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對零能耗建筑的能耗控制，該控制系統(tǒng)的能耗值均低于傳統(tǒng)的近零能耗建筑能耗控制系統(tǒng)的能耗值，具有更好的控制效果?；谀：齈ID的近零能耗建筑能耗控制系統(tǒng)的提出能夠為該方面的研究提供一定的參考價值。