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(zhǎng)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(guó)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(duì)建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)顯得尤為重要。然而，零能耗設(shè)計(jì)僅在理論上可行，完全零能耗將會(huì)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(guó)的氣候特征、居民生活習(xí)慣的不同，發(fā)達(dá)國(guó)家的相關(guān)指標(biāo)體系不適用于我國(guó)。因此，近零能耗建筑要根據(jù)我國(guó)的氣候特征和實(shí)際條件，通過(guò)對(duì)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(jì)效益的關(guān)系，評(píng)價(jià)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(wèn)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(guò)建筑信息管理模型對(duì)建筑能耗實(shí)施控制，基于指標(biāo)控制的建筑能耗控制方法主要通過(guò)對(duì)能耗控制指標(biāo)對(duì)建筑能耗實(shí)施控制，多參數(shù)聯(lián)合控制法主要通過(guò)設(shè)置溫度傳感器參數(shù)對(duì)建筑能耗實(shí)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(duì)其作出進(jìn)一步研究和改進(jìn)。模糊PID控制方法具有使用方便、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域。基于此，設(shè)計(jì)一種基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制系統(tǒng)，并通過(guò)仿真驗(yàn)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(jì)

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(hào)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(hào)根據(jù)模糊推理規(guī)則進(jìn)行模糊運(yùn)算，得到模糊結(jié)果，最后，將其通過(guò)修正變成常見(jiàn)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(jì)。

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(jì)

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(jì)

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(jì)算機(jī)、模糊控制器、PID控制器、數(shù)據(jù)采集卡、傳感器等，下面對(duì)其具體分析。

控制中心計(jì)算機(jī)：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(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)起著核心控制作用，所有數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)和監(jiān)測(cè)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(guò)對(duì)建筑能耗控制系統(tǒng)中的冷熱源、空調(diào)等能耗裝置實(shí)施控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(zhuān)用的模糊芯片，對(duì)PID控制器實(shí)時(shí)開(kāi)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(duì)其預(yù)處理后，通過(guò)模糊控制器，將處理過(guò)的建筑能耗數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)。

通過(guò)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(jì)。

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(jì)

在完成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)后，對(duì)系統(tǒng)軟件開(kāi)展設(shè)計(jì)?；谀：齈ID的近零能耗建筑能耗控制系統(tǒng)軟件包含多個(gè)模塊，其中，用戶(hù)登錄模塊用于驗(yàn)證用戶(hù)身份，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖4所示。

圖4 用戶(hù)登錄示意圖

如圖4所示，在用戶(hù)登錄后，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)驗(yàn)證用戶(hù)信息，匹配成功后用戶(hù)進(jìn)入近零能耗建筑能耗控制系統(tǒng)的主頁(yè)面。如果用戶(hù)信息無(wú)法匹配，則無(wú)法進(jìn)入近零能耗建筑能耗控制系統(tǒng)。根據(jù)角色將用戶(hù)分為普通系統(tǒng)用戶(hù)和系統(tǒng)管理人員，對(duì)不同角色的權(quán)限設(shè)置不用。普通用戶(hù)僅可操作數(shù)據(jù)查詢(xún)、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(guò)溫濕度傳感器等儀表，每隔一定的時(shí)間采集建筑能耗的相關(guān)信息數(shù)據(jù)，通過(guò)規(guī)范協(xié)議，將數(shù)據(jù)信息和相關(guān)指令，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸。對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)解析、過(guò)濾等預(yù)處理，得到有效數(shù)據(jù)，將有效數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至存儲(chǔ)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(duì)PID實(shí)施控制。具體算法流程如下：

首先，優(yōu)化控制器參數(shù)。對(duì)控制器參數(shù)作編碼處理。通過(guò)編碼，利用二進(jìn)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(zhǎng)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(jì)算可得編碼長(zhǎng)度≥5。

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

首先，開(kāi)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(shí)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(shí)間。利用自適應(yīng)思想，構(gòu)建自組織調(diào)整機(jī)構(gòu)，用于測(cè)試系統(tǒng)響應(yīng)過(guò)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(guò)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(gè)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(jìn)制編碼，控制規(guī)則編碼串長(zhǎng)度為147位，需要考慮到的條件為：①對(duì)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(wú)特殊性，則控制規(guī)則庫(kù)具有對(duì)稱(chēng)性。②根據(jù)控制規(guī)則，對(duì)其作相應(yīng)調(diào)整，將要優(yōu)化的控制規(guī)則減少至24個(gè)，編碼長(zhǎng)度減少至72位，對(duì)控制參數(shù)實(shí)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(shí)間乘以誤差絕對(duì)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(shí)間，k代表能耗值的采樣次數(shù)，ei代表采樣時(shí)能耗控制系統(tǒng)的誤差。個(gè)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(guò)上述公式，將極小值問(wèn)題轉(zhuǎn)化為適應(yīng)度函數(shù)的最大值問(wèn)題。

在完成上述操作后，針對(duì)其中的誤差，利用遺傳操作算子對(duì)其作進(jìn)一步優(yōu)化。首先，剔除較差的個(gè)體，采用非線性排序選擇的兩點(diǎn)交叉法對(duì)PID控制規(guī)則和PID隸屬函數(shù)參數(shù)實(shí)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(duì)種群個(gè)體重組，使種群新增個(gè)體、增大可能解的搜索空間。在實(shí)行交叉操作前，對(duì)控制規(guī)則編碼串中的等位基因作比較，如果絕對(duì)差值小于2，則實(shí)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(gè)體的多樣性得以保留，抑制種群中個(gè)體早熟，通過(guò)自適應(yīng)調(diào)整交叉變異概率，完成遺傳操作，具體過(guò)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(guò)大或者過(guò)小都不利于種群的遺傳。jm過(guò)大或者過(guò)小都不利于種群新個(gè)體的產(chǎn)生。利用式(8)實(shí)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(shí)，則認(rèn)為該代種群個(gè)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(duì)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(duì)近零能耗建筑實(shí)施最優(yōu)能耗控制。

至此，根據(jù)模糊PID工作原理，通過(guò)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，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(jì)。

3 仿真研究

為驗(yàn)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(jì)了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

3.1 仿真過(guò)程

近零能耗建筑能耗控制系統(tǒng)用戶(hù)通過(guò)網(wǎng)址進(jìn)入能耗控制頁(yè)面，根據(jù)頁(yè)面提示驗(yàn)證用戶(hù)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(jìn)入系統(tǒng)界面后，對(duì)近零能耗建筑能耗實(shí)施控制。利用Matlab開(kāi)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(kāi)展模擬工作。

為了證實(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比對(duì)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(duì)溫度的控制過(guò)程中，當(dāng)時(shí)間在5000s時(shí)，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(shí)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(guò)如圖6所示的同步控制，吸氣壓力的波動(dòng)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(guò)對(duì)建筑溫度的同步控制，吸氣壓力的波動(dòng)范圍由原來(lái)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(shuō)明控制系統(tǒng)很好的控制了壓縮機(jī)的啟動(dòng)與停止，降低了壓縮機(jī)能耗，表明其具有很好的控制效果。

為驗(yàn)證提出的控制系統(tǒng)是否具有經(jīng)濟(jì)性，對(duì)四種控制系統(tǒng)建筑能耗值作對(duì)比，根據(jù)能耗數(shù)據(jù)，利用能耗計(jì)算軟件計(jì)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(duì)零能耗建筑能耗實(shí)施控制，得到的各個(gè)控制系統(tǒng)的能耗對(duì)比結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同控制系統(tǒng)的能耗值對(duì)比結(jié)果

如圖8所示，對(duì)比不同控制系統(tǒng)的能耗控制結(jié)果，通過(guò)對(duì)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(yǔ)

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(guò)仿真驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了對(duì)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。基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制系統(tǒng)的提出能夠?yàn)樵摲矫娴难芯刻峁┮欢ǖ膮⒖純r(jià)值。