清华大学工学博士学位论文——空调冷冻站 “无中心控制”系统研究其它

清华工学博士学位论文——空调冷冻站 “无中心控制”系统研究 本文提出一种基于智能机电设备的冷 冻站无中心控制系统，设计简单直接的规则对智能设备进行连接、即插即用地完 成无中心控制系统的搭建；开发不依赖于冷冻站具体配置的通用的无中心优化控 制算法，使冷冻站各智能设备通过自主协同工作高效地实现控制目标。 围绕这一目标，本文通过分析冷站机电设备自身的运行需求以及冷站系统层 面设备之间的协作需求，研究定义各类智能机电设备的标准化信息模型，并制定 了智能设备之间的的组织连接与通信识别规则。通过“面向对象”的模块化分析， 将各智能设备基于不同的功能组织形式划分为相对独立的“设备模块”，同时使冷 冻站系统的优化控制问题解耦；进一步分析无中心冷冻站模块内和模块之间的功 能，抽象出冷冻站无中心控制系统中两类典型的优化问题，即设备模块内部的分 配优化问题和设备模块之间的扩散优化问题。重点研究了控制系统底层的模块内 分配优化问题，基于数学分析指导设计无中心算法求解，通过不同设备模块的算 例应用验证了算法的可行性，并进一步建立典型冷冻站模型，进行了模拟验证， 证明该算法可以得到近似最优解；对设备模块之间的扩散优化问题，引入了罚参 数法进行等价转化分解，利用数学算例对该算法进行了初步的应用探讨。基于已 有的无中心平台，对无中心算法进行了移植开发，并搭建硬件仿真环境完成了算 法的硬件测试。 通过研究成果的工程案例实践应用，包括冷机模块和“带负载”的水泵模块 的无中心控制，验证了无中心控制系统敏捷开发、快速部署、即插即用等特点， 且可以实现优化控制。 当前的冷站控制系统均为集中式的树状分层的控制架构，在控制系统实际应 用的过程中，存在实用性差、通用性不好的问题，导致实际运行的冷站控制系统 自动化水平普遍偏低。楼宇自动化系统中，一种全新的无中心智能建筑平台在实 际应用中具有实用性强、通用性好的特点。借鉴这一理念，本文提出一种基于智 能机电设备的冷冻站无中心控制系统架构，围绕这一理念从无中心系统的视角， 对冷站系统进行分析抽象典型问题、设计无中心算法求解、对算法进行模拟验证 并应用于实际工程，重点取得了以下五方面成果： 1）集中式的树状分层的控制系统架构，导致系统组网配置困难工作量大、系 统建模困、多专业多工种在系统设计施工验收各环节配合机制脱节。使得当前冷 站控制系统：实用性差，即控制系统在从设计到实际应用，需要大量的配置、安 装、调试等现场工作；通用性差，即控制系统及控制算法需要针对不同的冷站项 目进行重新设计、二次开发等工作。是导致实际运行的冷冻站系统自动化水平普 遍偏低、文献研究中各类优化控制算法在实际工程中基本没有应用的根本原因。 2）分析机电设备自身的运行需求和冷站系统层面设备之间的协作需求，从无 中心冷站系统架构的角度，定义了各类智能机电设备的标准化信息模型，制定智 能设备的组织与识别规则，实现了基于“简单直观”的规则，“即插即用”地完成 无中心控制系统的搭建，满足冷站控制系统运行的需求。 3）在冷站无中心系统架构下，利用“面向对象”的模块化分析，将智能设备 基于不同的功能组织形式划分为相对独立的“设备模块”，同时使冷站系统的优化 控制问题解耦。通过对冷站无中心系统模块内和模块之间的功能分析，抽象出冷 站无中心控制系统中两类典型的优化问题，即设备模块内部的分配优化问题和设 备模块之间的扩散优化问题。 4）针对冷站无中心系统模块内的分配优化问题进行理论分析，设计了通用的 无中心算法，通过不同的设备模块（水泵模块、冷机模块、冷却塔模块）进行了 算法的模拟验证，证明该算法可以得到近优解。基于已有的无中心平台，对算法 进行了移植开发，通过搭建硬件测试环境，对无中心算法进行了硬件测试；并进 一步将无中心控制算法应用于实际工程，包括冷机模块和“带负载”的水泵模块， 验证了无中心控制系统的敏捷开发、快速部署、即插即用的特点，且可以实现优 化节能控制。 5）通过对分配优化问题中并联变频水泵的转速优化控制这一典型问题深入的 理论分析，得出便于指导实际应用的通用准则，适用于相同型号的水泵并联、不同型号的水泵或将“带负载”的水泵并联等效为不同型号水泵并联等各种情况。 本文基于无中心控制理念，首次对冷站无中心控制的若干关键问题进行了理 论分析和实际应用尝试，有以下几点有待进一步研究和完善： 1）在冷站无中心系统的框架下，对更加复杂的冷站系统形式，如冰蓄冷、水 蓄冷、热电冷三联供系统等，进行适用性研究。 2）在模块间的扩散优化问题中，深入研究如何利用模块内部的各智能设备的 模型，等效转化为设备模块整体的性能模型的方法。 3）对模块间的扩散优化问题进行深入的分析探讨，研究适用于各类复杂冷站 系统形式的求解该问题的无中心算法。 4）模块间扩散优化问题的无中心算法和模块内分配优化问题的无中心算法， 二者是无中心冷站控制系统中不同层次的算法，在实际应用中二者的接口、配合 机制有待进一步的研究和完善。 5）在智能机电设备的理念下，研究中央空调系统末端的无中心组织形式、系 统末端与无中心冷站系统的接口，将系统末端也作为一个设备模块，加入模块间 扩散优化问题的研究分析。