【摘要】：中央空調(diào)能耗是建筑能耗的大戶,約占總額的50-60%,在倡導(dǎo)綠色科技與可持續(xù)性發(fā)展的社會(huì)背景下,中央空調(diào)成為了建筑中節(jié)能減排的重點(diǎn)對象。對中央空調(diào)實(shí)施有效的節(jié)能控制,是工業(yè)工程領(lǐng)域的一個(gè)重要問題,也是理論研究的熱點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn),中央空調(diào)冷凍水系統(tǒng)是一類典型的混雜系統(tǒng),它的節(jié)能控制主要以改變水系統(tǒng)的流量為手段,通過水泵群的變流量與投切動(dòng)作實(shí)現(xiàn),體現(xiàn)了在以最小能耗為目標(biāo)下的連續(xù)動(dòng)態(tài)特征與離散動(dòng)態(tài)特征。而根據(jù)冷量需求的變化,實(shí)時(shí)的調(diào)整冷凍水系統(tǒng)的流量,可以有效地實(shí)現(xiàn)水泵群的電能節(jié)約。因此基于混雜系統(tǒng)的冷凍水系統(tǒng)的建模與節(jié)能控制策略具備很強(qiáng)的針對性,冷凍水系統(tǒng)存在的非線性、大時(shí)滯、多參數(shù)等問題可以通過混雜系統(tǒng)的建模與控制策略有效解決,因此具備了極其重要的理論意義與實(shí)用價(jià)值。文章采用混雜系統(tǒng)建模、性能分析、以及最小能耗目標(biāo)下的優(yōu)化控制方法開展中央空調(diào)冷凍水系統(tǒng)的節(jié)能研究。本文針對上述問題,研究了以下內(nèi)容:(1)研究了幾類混雜系統(tǒng)的建模,多種分類形式普遍為:采用把離散或者連續(xù)行為嵌入到另一種行為的方式,使其轉(zhuǎn)化為另一種行為內(nèi)部動(dòng)作。研究了冷凍水泵的混雜動(dòng)態(tài)特性,分析了水泵群開關(guān)控制與變流量控制的系統(tǒng)形式與動(dòng)態(tài)過程;研究了中央空調(diào)冷凍水系統(tǒng)的冷量傳遞與空調(diào)房間的熱平衡,分析了冷凍水泵的特性與節(jié)能策略。研究了穩(wěn)定性分析的方法,主要就三個(gè)主要穩(wěn)定性問題,劃分為多李雅普諾夫法、共同李雅普諾夫法、拉格朗日法及其他方法等;討論了基于不同混雜系統(tǒng)模型下的優(yōu)化控制方法的技術(shù)路線,介紹了混雜系統(tǒng)的最優(yōu)化控制與魯棒控制的主要研究方法。(2)研究了水泵群開關(guān)控制的混雜模型與穩(wěn)定性。通過對水泵群開關(guān)控制系統(tǒng)的分析,提出了水泵群開關(guān)控制一般化模型及其子結(jié)構(gòu),舉例描述了系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)。著重分析了子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與多開關(guān)系統(tǒng)失穩(wěn)現(xiàn)象。明確了有別傳統(tǒng)切換系統(tǒng)的關(guān)鍵因素,提出子系統(tǒng)組為切換基本單元。文章對系統(tǒng)狀態(tài)矩陣的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,得出子系統(tǒng)組狀態(tài)矩陣赫爾維茨穩(wěn)定與舒爾穩(wěn)定的推論。結(jié)合矩陣可成對交換的假設(shè)條件,給出任意切換條件下,系統(tǒng)均為李雅普諾夫穩(wěn)定的命題,并推導(dǎo)出共同李雅普諾夫函數(shù)。將該結(jié)論推廣至類并聯(lián)結(jié)構(gòu),適當(dāng)放松條件,可以得到相關(guān)理想的穩(wěn)定性結(jié)果。通過仿真對比分析三種控制策略,描述多開關(guān)系統(tǒng)的穩(wěn)定與失穩(wěn)情況。(3)結(jié)合不帶變頻器的冷凍水泵的變流量與投切技術(shù),提出一類雙約束的混合邏輯動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型(DC-MLDS)。該模型以混合邏輯不等式的形式描述,包含了狀態(tài)變量、控制變量、邏輯變量、輔助變量、雙約束的切換規(guī)則、臨界值、最小誤差等多個(gè)指標(biāo)。其中,通過討論非零切換點(diǎn)的問題,推導(dǎo)出蘊(yùn)含關(guān)系下邏輯表達(dá)式的等價(jià)關(guān)系式;明確切換上下臨界值,確定系統(tǒng)狀態(tài)依賴型的切換規(guī)則。將上述雙約束混合邏輯動(dòng)態(tài)模型應(yīng)用到中央空調(diào)冷凍水系統(tǒng)的節(jié)能控制上,分析冷量從冷凍水系統(tǒng)向風(fēng)系統(tǒng)的傳遞過程,以水泵群的投切與變流量行為實(shí)現(xiàn)。最后,通過仿真分析系統(tǒng)的切換動(dòng)作、變流量過程、室溫變化、電能節(jié)省情況,分析了模型與控制的適用性。(4)結(jié)合帶變頻器的冷凍水泵的變流量與投切技術(shù),提出了一種基于混合動(dòng)態(tài)控制策略。建立了一種基于矢量控制的水泵轉(zhuǎn)速優(yōu)化模型,該模型具有較好的電磁特性和轉(zhuǎn)矩響應(yīng)效果�？紤]到水系統(tǒng)的負(fù)荷特性,采用矢量控制方法對水泵的水量進(jìn)行實(shí)時(shí)變頻調(diào)節(jié),使其具備變流量控制的功能。采用開關(guān)控制策略、冷量分配和平均溫差法,達(dá)到調(diào)控目的。通過變流量調(diào)節(jié)和可投切水泵的開關(guān)(ON/OFF)動(dòng)作,描述中央空調(diào)冷凍水系統(tǒng)的混合動(dòng)態(tài)特性,體現(xiàn)了較好的動(dòng)態(tài)特征與控制效果。最后,給出一個(gè)算例,通過MATLAB仿真分析,闡述了控制過程與節(jié)能情況。
【圖文】：

華南理工大學(xué)博士學(xué)位論文提出幾種控制方法，實(shí)現(xiàn)在最小能耗為目標(biāo)下的中央空調(diào)冷凍水系統(tǒng)的水泵群體現(xiàn)出混雜建模與控制的實(shí)用性與有效性。下面通過 2 個(gè)混雜系統(tǒng)研究中典型案例，比較說明混雜系統(tǒng)的建模與控制問-1. 學(xué)者 G.Labinaz 對于三個(gè)水箱注水問題，提出了經(jīng)典的混雜系統(tǒng)建模與優(yōu)化計(jì)與控制問題，可見圖 2-7。

圖 2-8 車輛行駛模型Fig.2-8 vehicle running model輛向前行駛的速度；輛轉(zhuǎn)向的角速度；輛在橫坐標(biāo)的位置；輛在縱坐標(biāo)的位置。輛只可以通過前進(jìn)、后退、以及自身轉(zhuǎn)向角度的小幅度變化從水，這也是一個(gè)典型的混雜系統(tǒng)，，只對行駛速度建�；蛘咧粚D(zhuǎn)向傳統(tǒng)單一的連續(xù)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)或離散動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，無法清晰的體現(xiàn)出車程。因此，要對車輛前行的速度與轉(zhuǎn)向的角速度同時(shí)分析、定量混雜動(dòng)態(tài)過程的物理背景與數(shù)學(xué)意義。使用混雜系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為：.1 1x u cos
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TU831

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本文編號：2660704