[发明专利]基于模型预测控制的建筑物温度控制方法及系统

权利要求书

1.一种基于模型预测控制的建筑物温度控制方法，其特征是，基于模型预测控制MPC进行供热温度调节，并且在预测控制中加入了对干扰的预测，并对即将到来的环境温度变化做出补偿；

所述方法包括以下步骤：

S1：所需数据准备：天气预报数据、用户设定的室内温度理想值、建筑物室内温度数据、换热器二次侧供回水温度及流量；

S2：MPC根据所需数据计算得到当前最优供水温度设定值u(k)；

S3：将计算得到的供水温度设定值u(k)传递给底层控制回路，由底层控制回路操纵执行机构作出响应；

S4：执行机构调节换热器一次侧热水流量，进而通过换热器控制二次侧热水的温度；

S5：室内温度随供水温度、流量变化而变化，同时由传感器测得室内实时温度、二次侧供回水温度及流量，反馈给MPC进行下一时刻的优化；

在步骤S2中，MPC将室温y(k)维持在用户或站点操作员确定的最舒适的值r(k)；通过互联网从天气预报中心获取未来24小时的环境温度数据D(k)，环境温度数据D(k)被视为MPC算法中的预测干扰变量，位于室外的温度传感器给出当前的环境温度T0(k)以补偿误差；MPC计算当前时间的供水温度设定值u(k)，该值作为下层PID控制的设定点；测量供水和回水之间的压差△p(k)，并将其视为测得的干扰；

所述模型预测控制的过程包括以下步骤：

建立针对建筑热交换过程的机理模型；

使用模型来预测将来在有限范围内的模型输出；

通过优化使模型输出与测量值之间的误差最小；

所述机理模型为：

式中，T为室内温度，T_in为供水温度，T_out为回水温度，T₀为室外温度，c_p1为室内空气比热，V₁和V₂为室内取暖面积，c_p2为供水的比热，q为供水流量，h₁A₁和h₂A₂为换热系数乘以换热面积，假设室外与室内为对流换热；

如果现场未安装流量传感器，使用热水供应管与回水管之间的压差△p，它们的平方关系通过压差计算流量：

将机理模型转化为：

其中，θ＝[θ₁ θ₂ θ₃ θ₄]^T是模型参数向量，对室外温度的预测包含在参数θ2中；

对机理模型离散化处理，获得离散化状态空间模型为：

x(k+1)＝A(k)x(k)+B(k)u(k)+B_dd(k)

y(k+1)＝Cx(k)

其中：

x＝[T T_out],u＝T_in,d＝T₀,y＝T，

C＝[1 0]

其中d(k)表示未来干扰数据，即天气预报数据；x(k)表示状态向量；u(k)表示操纵变量，即供水温度；

所述模型输出为：

其中，等式左侧为对输出的预测，x(k)为当前时刻状态向量,u(k-1)为上一时刻的操纵变量，△U(k)为控制时域内的操纵变量，D(k)为对未来干扰的预测，Ey为误差反馈，Ф_A、Ф_B、G和G_d为系数矩阵；

应用输出反馈来纠正模型输出和测量值之间的误差：

其中e_k为误差，用实际输出与预测输出的差来表示。

2.根据权利要求1所述的基于模型预测控制的建筑物温度控制方法，其特征是，所述通过优化使模型输出与测量值之间的误差最小的过程为：

目标函数为：

解决以下优化问题：

Δu_min≤Δu(k+j)≤Δu_max

u_min≤u(k+j)≤u_max

其中J是优化的目标函数，R为设定值向量，r是设定点，w是操纵输入变化的权重，Np是预测时域，Nu是控制时域，u_min和u_max分别是操纵输入的最小和最大约束，Δu_min和Δu_max是对操纵输入变化速率的约束，y_min和y_max是对预测输出的约束；

令目标函数最小，求解优化问题，得到最优控制向量：

ΔU^*(k)＝[G^TG+W]^-1G^TE(k)＝KE(k)

其中：

E(k)＝R(k)-Φ_Ax(k)-Φ_Bu(k-1)-G_dD(k)-E_y(k)

将控制向量第一个元素作用于系统，得到反馈值后作为下一时刻优化所需的数据。