一种基于物理模型的变风量空调系统传感器在线校准方法技术方案

本发明专利技术公开一种基于物理模型的变风量空调系统传感器在线校准方法，包括以下步骤：S1、定义变风量空调系统传感器多组稳态测量值；S2、针对变风量空调系统，根据能量守恒和压力守恒这些物理模型以及S1中获得的稳态测量值对系统传感器分别进行建模；S3、采用贝叶斯定理和蒙特卡洛随机取样对变风量空调系统不同校准域内温度、湿度、流量和压差传感器进行校准。本发明专利技术将历史数据和系统的物理模型结合起来，在不移除或者安装新的传感器的基础上，对于不同工作环境和老化产生的传感器偏移量进行校准，校准之后传感器测量值的准确性获得了极大地提升，保证了传感器底层数据的准确性和稳定，使得变风量空调系统更加可靠的运行。使得变风量空调系统更加可靠的运行。使得变风量空调系统更加可靠的运行。

【技术实现步骤摘要】
一种基于物理模型的变风量空调系统传感器在线校准方法


[0001]本专利技术涉及一种基于物理模型的变风量空调系统传感器在线校准方法，是一种变风量空调系统中信息丰富、不同类型传感器故障的在线校准方法，属于建筑能耗监测系统底层传感器数据处理


技术介绍

[0002]随着经济和社会的不断发展，城市化的进程不断加快，大量人口涌入城市，给寸土寸金的城市带来了巨大的压力，超高层建筑成为了缓解住房压力和土地面积稀少的首要选择。随着建筑结构复杂化程度的不断加深，变风量空调系统也变得越来越复杂。统计数据表明，变风量空调系统广泛应用于民用和商业建筑、工业厂房、数据机房等，其消耗着大量的能源，如建筑变风量空调系统的能源消耗通常占建筑总能耗的50～60％。为了解决建筑系统的高能耗问题，通常采用各种控制方法来进行智能调节，比如基于楼宇自动化系统的连续微调、分析优化、故障检测及诊断，目前国内外已经开展了大量相关方面的研究。而在实际过程中，变风量空调系统的检测与控制必须依赖于系统各传感器的监测数据，因此，各种传感器测量数据的准确性是建筑系统实行智能化控制的关键。目前已经用各种方法和措施来诊断传感器故障，进而提高传感器测量值的准确性。但是这些方法和措施在校准过程面临着以下两个实际问题：1)仅仅关注单一故障，建筑能源系统结构复杂，各个传感器之间相互联系，在运行过程中，由于连锁反应，一个传感器的故障可能会导致连续几个传感器故障，多个传感器并发故障的诊断研究现在基本没有；2)现有的传感器故障诊断方法的关注点仅仅在于诊断，并不涉及到修复。变风量空调系统在运行一段时间后，传感器必定会发生不同程度的漂移，在诊断成功的基础上如何进行进一步的修复，是现在必须要关注的问题。

技术实现思路

[0003]基于以上问题，本专利技术将历史数据和系统的物理模型(能量守恒、压力和流量守恒等一些基本定理)结合起来，提供一种基于物理模型的变风量空调系统传感器在线校准方法，在不移除或者安装新的传感器的基础上，对于不同工作环境和老化产生的传感器偏移量进行校准。
[0004]本专利技术的技术方案如下：
[0005]一种基于物理模型的变风量空调系统传感器在线校准方法，步骤如下：
[0006]S1、定义变风量空调系统传感器多组稳态测量值，具体步骤如下：
[0007]S1.1、确定变风量空调系统传感器安装的类型以及数量；
[0008]S1.2、根据传感器类型和数量，从变风量空调系统监测平台获取传感器原始测量值，构建出测量值矩阵；
[0009]S1.3、根据室内外温湿度，采用聚类的方式对不同工况下的测量值数据集进行聚类，进而保证相同工况的测量值数据集在同一类；
[0010]S1.4、从相同工况下的测量值数据集中随机选取数据，构成校准所需要的稳态测
量值数据集；
[0011]S2、针对变风量空调系统，根据能量守恒和压力守恒这些物理模型以及S1中获得的稳态测量值对系统传感器分别进行建模，具体步骤如下：
[0012]S2.1、能量守恒模型1：在空调运行工况下，通过调节新风阀和回风阀的阀门大小，实现对整个变风量空调系统新风比的控制；此时新风能量加上回风能量就等于混风能量；基于以上分析，建立新风、回风和混风的能量方程；新风能量方程由新风温度T1和新风湿度Φ1组成；回风能量方程由回风温度T4和回风湿度Φ4组成；混风能量方程由混风温度T2和混风湿度Φ2组成；根据新风比，建立新风、混风和回风的能量守恒方程；
[0013]S2.2、能量守恒模型2：夏季工况下，空气流过表冷器与盘管内冷冻水进行充分接触换热，在传感器测量准确的情况下，空气带走的热量应该等于冷冻水失去的热量；基于以上分析，建立空气侧和冷冻水侧的能量守恒方程；空气侧能量方程由混风温度T2、混风湿度Φ2、送风温度T3、送风湿度Φ3和新风量M1组成；水侧能量方程由冷冻水供水温度T5、冷冻水回水温度T6和冷冻水流量M2组成；
[0014]S2.3、能量守恒模型3：夏季工况下，冷水机组内制冷剂通过和冷冻水进行热交换带走冷冻水的能量，然后经过压缩机输送到冷凝器与冷却水进行热交换，进而冷却水带走制冷剂内能量，从而使得制冷剂保持之前的状态；因此此时能量守恒方程为冷冻水能量加上压缩机功耗等于冷却水能量；基于以上分析，建立冷冻水侧和冷却水侧的能量守恒方程；冷冻水侧能量方程由冷冻水供水温度T5、冷冻水回水温度T6和冷冻水流量M2组成；冷却水侧能量方程由冷却水供水温度T7、冷却水回水温度T8和冷却水流量M3组成；根据压缩机功率，建立冷冻水侧和冷却水侧能量守恒方程；
[0015]S2.4、压差和流量守恒模型：根据流体力学理论，冷冻水流量和其所消耗的压差存在着线性关系；基于这个关系，构建冷冻水流量与压差的守恒模型；同理，对于校准域内冷却水，也根据压差和流量关系建立守恒模型；
[0016]S3、采用贝叶斯定理和蒙特卡洛随机取样对变风量空调系统不同校准域内温度、湿度、流量和压差传感器进行校准，具体步骤如下：
[0017]S3.1、建立各个校准域和各种类型传感器偏移量的先验分布(均值为0，认为在校准之前没有发生偏移；标准差为传感器精度)；
[0018]S3.2、定义传感器校准所需要的校准函数、基准函数和目标函数；其中校准函数来源于传感器测量值和偏移量，基准函数来源于包含校准函数的能量守恒或者压差和流量守恒模型，如式(1)
‑
(3)所示；
[0019]校准函数：S
c
＝R+x
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0020]基准函数：S
b
＝f(S
c,v1
,S
c,v2
,
…
,S
c,vr
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0021]目标函数：
[0022]其中，S
c
为传感器的校准测量值，R为传感器的原始测量值，x为偏移量，S
b
为传感器的基准输出值，f为能量守恒或者压差和流量守恒模型，v为相关变量的数量，J(x)为校准问题的目标函数，T为稳态数据集个数，N为校准传感器数目；
[0023]S3.3、将建立的目标函数带入到贝叶斯定理似然函数中，获得后验分布的概率密度函数，如式(4)和(5)所示；
[0024]似然函数：
[0025]贝叶斯定理：
[0026]其中，P(S
b
|x)为偏移量的似然函数，σ为标准差，π(x)为先验分布，P(x|S
b
)为偏移量的后验分布，P(S
b
)为归一化常数；
[0027]S3.4、确定蒙特卡洛取样的迭代次数和滞后点，同时将不同类型传感器偏移量的先验分布平均值作为取样的初始样本；根据选取的初始样本从概率密度函数中生成一个候选样本，同时计算候选样本的接受率，如式(6)所示；
[0028]接受率
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于物理模型的变风量空调系统传感器在线校准方法，其特征在于，步骤如下：S1、定义变风量空调系统传感器多组稳态测量值，具体步骤如下：S1.1、确定变风量空调系统传感器安装的类型以及数量；S1.2、根据传感器类型和数量，从变风量空调系统监测平台获取传感器原始测量值，构建出测量值矩阵；S1.3、根据室内外温湿度，采用聚类的方式对不同工况下的测量值数据集进行聚类，进而保证相同工况的测量值数据集在同一类；S1.4、从相同工况下的测量值数据集中随机选取数据，构成校准所需要的稳态测量值数据集；S2、针对变风量空调系统，根据能量守恒和压力守恒这些物理模型以及S1中获得的稳态测量值对系统传感器分别进行建模，具体步骤如下：S2.1、能量守恒模型1：在空调运行工况下，通过调节新风阀和回风阀的阀门大小，实现对整个变风量空调系统新风比的控制；此时新风能量加上回风能量就等于混风能量；基于以上分析，建立新风、回风和混风的能量方程；新风能量方程由新风温度T1和新风湿度Φ1组成；回风能量方程由回风温度T4和回风湿度Φ4组成；混风能量方程由混风温度T2和混风湿度Φ2组成；根据新风比，建立新风、混风和回风的能量守恒方程；S2.2、能量守恒模型2：夏季工况下，空气流过表冷器与盘管内冷冻水进行充分接触换热，在传感器测量准确的情况下，空气带走的热量应该等于冷冻水失去的热量；基于以上分析，建立空气侧和冷冻水侧的能量守恒方程；空气侧能量方程由混风温度T2、混风湿度Φ2、送风温度T3、送风湿度Φ3和新风量M1组成；水侧能量方程由冷冻水供水温度T5、冷冻水回水温度T6和冷冻水流量M2组成；S2.3、能量守恒模型3：夏季工况下，冷水机组内制冷剂通过和冷冻水进行热交换带走冷冻水的能量，然后经过压缩机输送到冷凝器与冷却水进行热交换，进而冷却水带走制冷剂内能量，从而使得制冷剂保持之前的状态；因此此时能量守恒方程为冷冻水能量加上压缩机功耗等于冷却水能量；基于以上分析，建立冷冻水侧和冷却水侧的能量守恒方程；冷冻水侧能量方程由冷冻水供水温度T5、冷冻水回水温度T6和冷冻水流量M2组成；冷却水侧能量方程由冷却水供水温度T7、冷却水回水温度T8和冷却水流量M3组成；根据压缩机功率，建立冷冻水侧和冷却水侧能量守恒方程；S2.4、压差和流量守恒模型：根据流体力学理论，冷冻水流量和其所消耗的压差存在着线性关系；基于这个关系，构建冷冻水流量与压差的守恒模型；同理，对于校准域内冷却水，也根据压差和流量关系建立守恒模型；S3、采用贝叶斯定理和蒙特卡洛随机取样对变风量空调系统不同校准域内温度、湿度、流量和压差传感器进行校准，具体步骤如下：S3.1、建立各个校准域和各种类型传感器偏移量的先验分布；均值为0，认为在校准之前没有发生偏移；标准差为传感器精度；S3.2、定义传感器校准所需要的校准函数、基准函数和目标函数；其中校准函数来源于传感器测量值和偏移量，基准函数来源于包含校准函数的能量守恒或者压差和流量守恒模型，如式(1)
‑
(3)所示；校准函数：S
c
＝R+x
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
基准函数：S
b
＝f(S
c,v1
,S
c,v2
,
…
,S
c,vr
)
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(2)目标函数：其中，S
c
为传感器的校准测量值，...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵天怡，李吉腾，王鹏，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：