基于自适应控制器的建筑物节能系统、控制方法及仿真技术方案

本发明专利技术公开了基于自适应控制器的建筑物节能系统、控制方法及仿真。该系统主要包括主控器、用于检测室内温度的温度传感器、用于检测室内二氧化碳浓度的二氧化碳传感器和用于检测能耗的能耗计量装置，各个传感器和计量装置通过相应的从控器与主控器相连。该方法主要包括建立建筑节能中动态自适应控制器中的状态变迁模型、奖惩反馈模型；建立状态因素变量和行为因素变量的模型，通过循环迭代计算出评价行为值函数；基于评价行为值函数得出相应状态因素下的优选行为因素。实验结果表明，与Fuzzy‑PD控制器相比较，有更快的收敛速度，收敛之后更加稳定。

Building energy saving system, control method and simulation based on adaptive controller

The invention discloses a building energy-saving system based on an adaptive controller, a control method and simulation. The system mainly comprises a main controller, a temperature sensor used for detecting, the indoor temperature is used to detect the indoor concentration of carbon dioxide and carbon dioxide sensor for energy metering device for detecting the energy consumption of each sensor, and the metering device from the controller and main controller are connected through corresponding. This method mainly includes the establishment of incentive state transition model and dynamic adaptive controller in the feedback model of building energy saving; establish variable state variables and behavior factor model, through iterative calculate the behavior evaluation value function; evaluation value function obtained the optimal behavior factors factors based on the corresponding state. The experimental results show that compared with the Fuzzy PD controller has faster convergence speed, convergence after more stable.

【技术实现步骤摘要】
基于自适应控制器的建筑物节能系统、控制方法及仿真
本专利技术属于建筑节能
，尤其涉及基于自适应控制器的建筑物节能系统、自适应控制器的控制方法及自适应控制器的仿真方法。
技术介绍
自20世纪70年代后期，在一些西方国家开始出现：室内空气质量(indoorairquality,IAQ)的说法，其发展是近十年以来国际环保界最关注的课题之一。有研究表明，现代人平均花90％的时间在室内度过，因此室内空气质量的好坏会直接影响现代人的身体健康。由此可见IAQ理应作为建筑物设计标准的重要部分和建筑物评估过程中重视的问题。二氧化碳(carbondioxide,CO2)浓度是IAQ中的一个重要指标，当CO2浓度低时对人体无害，但其超过一定浓度时会影响到人类的呼吸：CO2在大气中含量超过1％时，人就会有轻度头晕反应；当超过3％时，开始出现呼吸困难；超过6％时，就会重度缺氧窒息甚至死亡。纵观近几十年建筑领域的发展，建筑结构设计与设备管理方面，特别是涉及到生态控制和能源消耗的领域上，都有很显著的进步和变化。一个明显的转折点是在七十年代石油危机爆发之后，提出封闭的建筑物以最小化建筑物的能源消耗这一概念，但是这导致室内空气质量直线下降和全世界范围的健康问题。这就直接造成了研究确保人类舒适度的前提下，同时联系光照、温湿度和空气质量等其他因素的研究趋势。在现有的能耗研究中，建筑物能耗占世界范围内总基础能耗的45％，这是在总能源消耗中占比例最高的一项。全球范围的建筑能耗，包括民用住宅和商业建筑，在发达国家每年的增长速率已达到20％-40％。然而在一项调查中，商业建筑物的年均耗能大约是70-300kWh/m2，这个数据是民用住宅的10到20倍。人口的增长、建筑服务压力的提升和舒适标准的提高都增大了建筑物的能源消耗，这些预示着未来仍然会持续能源需求的增长趋势。正是因为上述原因，建筑节能已然成为当今所有国家和国际水平在能源政策上重视的首要目标。建筑物的能源消耗问题已经得到越来越多的关注，毕竟建筑物是与人类生活工作息息相关的，也是现代化发展中必不可少的一个环节。由此可见，研发出一种满足实际需要的可对室内温度和二氧化碳浓度等指标进行监控，并有效实现建筑物节能的系统显得尤为紧迫和必要。现有技术中，已经有类似的建筑物节能系统的报道。但现有的建筑物节能系统的组成比较复杂，不够智能化，使用不便。不能满足实际需要。此外，控制器是实现建筑节能必不可少的重要组成部分。神经网络、模糊系统、预测控制和它们之间的组合是现有在建筑领域的主流控制器研发的方向。DounisAI等人在文献“Designofafuzzysetenvironmentcomfortsystem”中提出一种Fuzzy-PD的控制器，用模糊的比例微分方法来控制建筑领域内的相关设备，从而进行监测能耗和控制稳定性。但是在该方法中，使用Fuzzy-PD的控制器的方法控制建筑领域内的相关设备，具有收敛速度慢和稳定性差的缺点。目前已经提出的控制器方法几乎都有类似的缺点，因此，在控制器的收敛速度和收敛之后的稳定性都有待提升和改进。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是提供一种基于自适应控制器的建筑物节能系统，该系统结构简化、便于安装和使用，满足实际需求。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：基于自适应控制器的建筑物节能系统，包括空调系统、电动开窗系统和通风系统，还包括主控器、用于检测室内温度的温度传感器、用于检测室内二氧化碳浓度的二氧化碳传感器和用于检测能耗的能耗计量装置；所述温度传感器与温度从控器相连，所述温度从控器包括与温度传感器相连的温度数据采集模块以及与温度数据采集模块相连的第一通信模块；所述二氧化碳传感器与二氧化碳从控器相连，所述二氧化碳从控器包括与二氧化碳传感器相连的二氧化碳数据采集模块以及与二氧化碳数据采集模块相连的第二通信模块；所述能耗计量装置与能耗从控器相连，所述能耗从控器包括与能耗计量装置相连的能耗数据采集模块以及与能耗数据采集模块相连的第三通信模块；所述主控器包括自适应控制器以及与自适应控制器相连的第四通信模块，所述第一通信模块、第二通信模块以及第三通信模块分别与第四通信模块无线连接，所述空调系统、电动开窗系统和通风系统分别与第四通信模块无线连接。空调系统、电动开窗系统和通风系统的主控器可通过无线模块与第四通信模块相连，进而可通过自适应控制器来控制各个系统的行为动作。进一步的是，还包括电动窗帘系统以及光强传感器，所述光强传感器与光强数据采集模块相连，所述光强数据采集模块与第五通信模块相连，所述第五通信模块与第四通信模块无线连接，所述电动窗帘系统与第四通信模块无线连接。本专利技术还公开了建筑物节能领域的自适应控制器的控制方法，该方法收敛速度快，收敛后状态稳定。建筑物节能领域的自适应控制器的控制方法包括：步骤1：建立奖惩反馈模型和评价行为值函数Q(st,at)；步骤2：初始化评价行为值函数Q(s,a)、学习率α，折扣因素γ，其中，s表示状态因素，a表示行为因素，γ是一个0≤γ≤1的参数，可以是0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8或0.9等，状态因素是由室内温度T、室内二氧化碳浓度ρ和空调设置温度setT构成，行为因素是由空调系统行为、电动开窗系统行为和通风系统行为构成；步骤3：运行片段，每个片段包括N个单位时间步，初始化，令时刻t＝0，通过温度传感器、二氧化碳传感器得到初始状态因素st的室内温度T和二氧化碳浓度ρ，确定空调设置温度setT；步骤3-1：每个单位时间步的运行包括：对当前状态因素st，根据贪心选择策略h(st)计算确定出当前状态因素st在时刻t的行为因素at，a∈h(st)，根据行为因素at对空调系统、电动开窗系统和通风系统进行调节，使状态因素变迁到下一状态因素st+1，并测出st+1的室内温度T和二氧化碳浓度ρ，根据奖惩反馈模型计算得出在状态因素st和行为因素at下的奖惩rt，更新当前评价行为值函数Q(st,at)：更新学习率α，t＝t+1；步骤4：进行判断，具体为：若st+1对应的状态不符合状态结束条件，则返回到步骤3-1，进行下一单位时间步的运行；若st+1对应的状态符合状态结束条件，则监测所有状态因素下的评价行为值函数是否满足预定的精度要求，若有评价行为值函数不满足精度要求，则返回到步骤3进行新的片段的运行，若评价行为值函数都满足精度要求，则结束循环。进一步的是，所述步骤1中的奖惩反馈模型为：rt＝-w1(T_penalty)-w2(indoor_air_quality_penalty)-w3(E_penalty)，indoor_air_quality_penalty＝|ρt-350|/500，其中T0是室内初始温度，Tt是t时刻的室内温度，setT是空调设置温度；Et是t时刻的空调系统、电动开窗系统和通风系统的能耗值，可通过能耗计量装置测量得到；Emax是一个片段的空调系统、电动开窗系统和通风系统的最大能耗，可通过能耗计量装置预先测得；ρt是t时刻的室内CO2浓度；T_penalty是室内温度参数；indoor_air_quality_penalty是室内空气质量参数；E_penalty是能耗参数；w1、w2和w3分别是权重参数，设置为本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于自适应控制器的建筑物节能系统，包括空调系统、电动开窗系统和通风系统，其特征在于，还包括主控器、用于检测室内温度的温度传感器、用于检测室内二氧化碳浓度的二氧化碳传感器和用于检测能耗的能耗计量装置；所述温度传感器与温度从控器相连，所述温度从控器包括与温度传感器相连的温度数据采集模块以及与温度数据采集模块相连的第一通信模块；所述二氧化碳传感器与二氧化碳从控器相连，所述二氧化碳从控器包括与二氧化碳传感器相连的二氧化碳数据采集模块以及与二氧化碳数据采集模块相连的第二通信模块；所述能耗计量装置与能耗从控器相连，所述能耗从控器包括与能耗计量装置相连的能耗数据采集模块以及与能耗数据采集模块相连的第三通信模块；所述主控器包括自适应控制器以及与自适应控制器相连的第四通信模块，所述第一通信模块、第二通信模块以及第三通信模块分别与第四通信模块无线连接，所述空调系统、电动开窗系统和通风系统分别与第四通信模块无线连接。

【技术特征摘要】
1.基于自适应控制器的建筑物节能系统，包括空调系统、电动开窗系统和通风系统，其特征在于，还包括主控器、用于检测室内温度的温度传感器、用于检测室内二氧化碳浓度的二氧化碳传感器和用于检测能耗的能耗计量装置；所述温度传感器与温度从控器相连，所述温度从控器包括与温度传感器相连的温度数据采集模块以及与温度数据采集模块相连的第一通信模块；所述二氧化碳传感器与二氧化碳从控器相连，所述二氧化碳从控器包括与二氧化碳传感器相连的二氧化碳数据采集模块以及与二氧化碳数据采集模块相连的第二通信模块；所述能耗计量装置与能耗从控器相连，所述能耗从控器包括与能耗计量装置相连的能耗数据采集模块以及与能耗数据采集模块相连的第三通信模块；所述主控器包括自适应控制器以及与自适应控制器相连的第四通信模块，所述第一通信模块、第二通信模块以及第三通信模块分别与第四通信模块无线连接，所述空调系统、电动开窗系统和通风系统分别与第四通信模块无线连接。2.如权利要求1所述的基于自适应控制器的建筑物节能系统，其特征在于，还包括电动窗帘系统以及光强传感器，所述光强传感器与光强数据采集模块相连，所述光强数据采集模块与第五通信模块相连，所述第五通信模块与第四通信模块无线连接，所述电动窗帘系统与第四通信模块无线连接。3.建筑物节能领域的自适应控制器的控制方法，其特征在于包括：步骤1：建立奖惩反馈模型和评价行为值函数Q(st,at)；步骤2：初始化评价行为值函数Q(s,a)、学习率α，折扣因素γ，其中，s表示状态因素，a表示行为因素，γ是一个0≤γ≤1的参数，状态因素是由室内温度T、室内二氧化碳浓度ρ和空调设置温度setT构成，行为因素是由空调系统行为、电动开窗系统行为和通风系统行为构成；步骤3：运行片段，每个片段包括N个单位时间步，初始化，令时刻t＝0，通过温度传感器、二氧化碳传感器得到初始状态因素st的室内温度T和二氧化碳浓度ρ，确定空调设置温度setT；步骤3-1：每个单位时间步的运行包括：对当前状态因素st，根据贪心选择策略h(st)计算确定出当前状态因素st在时刻t的行为因素at，a∈h(st)，根据行为因素at对空调系统、电动开窗系统和通风系统进行调节，使状态因素变迁到下一状态因素st+1，并测出st+1的室内温度T和二氧化碳浓度ρ，根据奖惩反馈模型计算得出在状态因素st和行为因素at下的奖惩rt，更新当前评价行为值函数Q(st,at)：更新学习率α，t＝t+1；步骤4：进行判断，具体为：若st+1对应的状态不符合状态结束条件，则返回到步骤3-1，进行下一单位时间步的运行；若st+1对应的状态符合状态结束条件，则监测所有状态因素下的评价行为值函数是否满足预定的精度要求，若有评价行为值函数不满足精度要求，则返回到步骤3进行新的片段的运行，若评价行为值函数都满足精度要求，则结束循环。4.如权利要求3所述的自适应控制器的控制方法，其特征在于，所述步骤1中的奖惩反馈模型为：indoor_air_quality_penalty＝|ρt-350|/500，其中T0是室内初始温度，Tt是t时刻的室内温度，setT是空调设置温度；Et是t时刻的空调系统、电动开窗系统和通风系统的能耗值，可通过能耗计量装置测量得到；Emax是一个片段的空调系统、电动开窗系统和通风系统的最大能耗，可通过能耗计量装置预先测得；ρt是t时刻的室内CO2浓度；T_penalty是室内温度参数；indoor_air_quality_penalty是室内空气质量参数；E_penalty是能耗参数；w1、w2和w3分别是权重参数，设置为：w1＝0.7，w2＝0.25，w3＝0.05。5.如权利要求3所述的建筑物节能领域的自适应控制器的控制方法，其特征正在于：步骤4中，若st+1对应的状态不符合状态结束条件是指：若st+1对应的单位时间步的步数小于循环设置的最大步数N；若st+1对应的状态符合状态结束条件是指：若st+1对应的单位时间步的步数等于循环设置的最大步数N。6.如权利要求3所述的建筑物节能领域的自适应控制器的控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：傅启明，胡龄爻，陈建平，林莉，罗恒，傅朝阳，
申请(专利权)人：苏州科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32