（機械電子工程專業(yè)論文）太陽能相變蓄熱新風控制系統(tǒng)的研究.pdf

獨創(chuàng)性 或創(chuàng)新性 聲明 本人聲明所呈交的論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究 成果 盡我所知 除了文中特別加以標注和致謝中所羅列的內容以外 論文中不 包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果 也不包含為獲得北京郵電大學或其他 教育機構的學位或證書而使用過的材料 與我一同工作的同志對本研究所做的任 何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意 申請學位論文與資料若有不實之處 本人承擔一切相關責任 本人簽名 玉函函 日期 2 劍曼 6 關于論文使用授權的說明 學位論文作者完全了解北京郵電大學有關保留和使用學位論文的規(guī)定 即 研究生在校攻讀學位期間論文工作的知識產權單位屬北京郵電大學 學校有權保 留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤 允許學位論文被查閱和借 閱 學?？梢怨紝W位論文的全部或部分內容 可以允許采用影印 縮印或其它 復制手段保存 匯編學位論文 保密的學位論文在解密后遵守此規(guī)定 保密論文注釋 本學位論文屬于保密在一年解密后適用本授權書 非保密論 文注釋 本學位論文不屬于保密范圍 適用本授權書 本人簽名 上函函日期 塑f q 2 導師簽名 茲丑函日期 皇盟旦 z 7 北京郵電大學博十學位論文 摘要 摘要 太陽能一相變蓄熱新風系統(tǒng)是把太陽能技術和相變蓄熱技術相結合用于房問 有組織通風換氣的新型輔助供暖系統(tǒng) 國內針對太陽能 相變蓄熱新風系統(tǒng)的研 究相對較少 對其熱力學建模 控制算法及系統(tǒng)辨識的研究也不多見 而太陽能 相變蓄熱新風系統(tǒng)的建模以及控制問題對整個系統(tǒng)的熱利用效率至關重要 關 系到能源消耗問題 將很可能成為這個領域的研究熱點 為便于對新風系統(tǒng)理論分析和實驗研究 先后搭建了太陽能 相變蓄熱新風 系統(tǒng)實驗平臺和模擬系統(tǒng)實驗平臺 在此基礎上 通過對太陽能一相變蓄熱新風 模擬系統(tǒng)的研究和分析 本文提出了系統(tǒng)的運行模式及其控制方法 深入分析了 系統(tǒng)各部件的數(shù)學模型 研究了太陽能 相變蓄熱新風溫度的控制策略 提出把 模糊控制算法應用到太陽能 相變蓄熱新風系統(tǒng)的控制中 并最終實現(xiàn)了基于 c a n 總線技術的太陽能 相變蓄熱新風模擬系統(tǒng)的模糊控制 此外 本文還利用 采集的新風溫度和熱媒水流量的數(shù)據(jù) 進行了基于自適應模糊神經(jīng)網(wǎng)絡的非線性 系統(tǒng)建模與參數(shù)辨識的仿真研究 文中的主要內容和成果如下 1 利用一套太陽能熱水一相變蓄熱一空氣 水新風換熱體系 研究了太陽能 相變蓄熱新風系統(tǒng)的工作原理 分析了在不同的供暖階段系統(tǒng)的主要運行模式和 各部分的運行規(guī)律 最終設計實現(xiàn)了基于c a n 總線的太陽能 相變蓄熱新風系統(tǒng) 的測量與控制 2 設計并搭建了太陽能 相變蓄熱新風模擬測控系統(tǒng) 首次提出了系統(tǒng)的三 種控制模式及模式轉換控制方案 在充分考慮系統(tǒng)非線性 滯后性的基礎上 確 定了系統(tǒng)總體控制目標 為整個控制系統(tǒng)的設計與性能評價確立了理論依據(jù) 3 基于太陽能 相變蓄熱新風模擬系統(tǒng) 設計完成了手動控制實驗 通過運 行測控系統(tǒng)驗證了系統(tǒng)設計的正確性 掌握了系統(tǒng)各部件的運行特性 同時獲得 了大量有效的實驗數(shù)據(jù) 為新風模擬系統(tǒng)模糊控制的實現(xiàn) 自適應神經(jīng)模糊建模 與參數(shù)辨識提供了數(shù)據(jù)支持 4 研究并構建了太陽能 相變蓄熱新風模擬系統(tǒng)的風機盤管數(shù)學模型 房間 溫度數(shù)學模型 其中房間溫度數(shù)學模型充分考慮了外界環(huán)境溫度以及熱負載等干 擾因素 以更準確地模擬實際系統(tǒng)特性 為驗證模糊控制器設計的合理性與有效 性夯實了基礎 5 作為本文的主要研究內容 提出將m a m d a n i 型的模糊控制算法用于太陽 能 相變蓄熱新風模擬系統(tǒng)的新風溫度控制中 設計實現(xiàn)了系統(tǒng)三種運行模式的 模糊控制器 并在建立的風機盤管的模型上進行了m a t l a b 仿真 6 針對太陽能 相變蓄熱新風模擬系統(tǒng)的數(shù)學模型難以精確建立的特點 設 北京郵電大學博士學位論文摘要 計了基于自適應神經(jīng)模糊推理的控制器 應用b p 神經(jīng)元網(wǎng)絡的誤差反傳算法 對輸入變量隸屬度函數(shù)和輸出變量進行參數(shù)辨識 結果表明 該算法采用神經(jīng)網(wǎng) 絡與模糊推理結合的建模和參數(shù)辨識方法 可以很大程度上逼近太陽能 相變蓄 熱新風模擬系統(tǒng)的特性 誤差幾乎為零 7 設計并進行大量的太陽能 相變蓄熱新風系統(tǒng)模糊控制實驗 驗證本文提 出模糊控制算法的合理性 實驗結果表明 本文所實現(xiàn)的模糊控制系統(tǒng)具有響應 快速 魯棒性強 穩(wěn)定性高的特點 滿足對新風出口溫度的控制要求 本文的工作可以為今后太陽能 相變蓄熱新風系統(tǒng)的控制研究提供理論基礎 和技術支持 關鍵詞 太陽能 相變蓄熱 新風 數(shù)學模型 模糊控制 自適應神經(jīng)模糊 建模 參數(shù)辨識 北京郵電盔堂墮圭蘭垡笙壅 竺翌墾壘竺 一一一一 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n a l lt h er e s e a r c hw o r ki sm a i n l ya b o u tan e wt y p eo f 舭s ha i r s y s t e mw i t ht h eh e l po ft h es o l a re n e r g ya n dl h t s p h 舔ec h a n g et h e r m a ls t o m g e w h i c hc a na c h i e v eo r g a n i z e dv e n t i l a t i o n o n l yf e wo fs t u d i e si so nt h i st y p eo f 舶s h a i rs y s t e mi nc h i n a s oa r et h et h e r m o d y n a m i cm o d e l i n g c o n t r o la l g o r i t h ma n d s y s t e mi d e n t i f i c a t i o n h o w e v e r t h em o d e l i n ga n dc o n t r o lo f t h i sf r e s ha i rs y s t e mi so f g r e a ti m p o r t a n c et ot h et h e r m a le f f i c i e n c y o ft h es y s t e ma n dr e l a t e dt oe n e r g y c o n s u m p t i o n s o t h es t u d yi nt h i sd i s s e r t a t i o nw i l lc e r t a i n l yb e c o m e ah o tt o p i ci nt h i s a r e a t of a c i l i t a t et h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho ft h i sn e wt y p e o f 缸s ha i rs y s t e m a ne x p e r i m e n t a lp l a t f o r ma n d as i m u l a t i n gp l a t f o r mw e r e d e v e l o p e di nt u r n i nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ea d v a n c e dm o n i t o r i n gs y s t e m sw e r ef i r s t l y r e a l i z e dw i t ht h eh e l po fl a b w i n d o w s c v ia n dc a n b u sb yu s i n gt h e s et w op l a t f o r m s t h e n t a k i n gt h es i m u l a t i n gf l e s ha i rs y s t e ma st h eo b j e c t as e r i e so fs t u d i e sw e r e d o n et h o r o u g h l yo nt h et h e r m o d y n a m i cm o d e l i n g c o n t r o ls t r a t e g i e sa n dp a r a m e t e r i d e n t i f i c a t i o n t h ef a nc o i la n dr o o ma i rt e m p e r a t u r em o d e lw e r ee s t a b l i s h e d f u z z y c o n t r o la l g o r i t h mw a sp r o p o s e dt ot h i s 能s ha i rs y s t e m a n da l s ot h es i m u l a t i o nw a s d o n eo nt h ef a nc o i lm o d e l b a s i n go nt h ea c q u i s i t i o no ff l e s ha i rt e m p e r a t u r ea n d h e a t w a t e rf l o w t h es i m u l a t i o no fn o n l i n e a rs y s t e mi d e n t i f i c a t i o nw a sr e a l i z e du s i n gt h e a d a p t i v en e u r o f u z z yi n f e r e n c em e t h o d f i n a l l y l o t so ff u z z yc o n t r o le x p e r i m e n t so n t h es i m u l a t i n gf r e s ha i rs y s t e mw e r ed e s i g n e da n da c c o m p l i s h e d t h em a i nc o n t e n t s a n dr e s u l t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s t h en o v e ls t r u c t u r eo faf l e s ha i rs y s t e mw a sf i r s t l yi n t r o d u c e d a n dt h e nt h e c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h eo p e r a t i o nm o d e so ft h es y s t e mw e r ea n a l y z e d i nd e t a i l m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lo ft h e 仔e s ha i rs y s t e mw i t hs o l a rc o l l e c t o r sa n dl h t sw a s f i n a l l yr e a l i z e db a s i n g o nc a nb u s s e c o n d l y a no b s e r v i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mo f t h es i m u l a t i n g 舭s ha i rs y s t e m w a sd e s i g n e da n df i n a l l ye s t a b l i s h e d t h eo p e r a t i o nm o d e so ft h es y s t e ma n dt h ew a y i tt r a n s f e r sb e t w e e nm o d e sw e r ep r e s e n t e df o rt h ef i r s tt i m e i nf u l lc o n s i d e r a t i o no f t h en o n l i n e r i t ya n dh y s t e r e s i so ft h ef l e s ha i rs y s t e m t h eo v e r a l lc o n t r o lg o a lw a s d e t e r m i n e d t h i sw o r kl a y st h e o r e t i c a lf o u n d a t i o n向r t h ee s t a b l i s h m e n t a n d p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no f t h ew h o l ec o n t r o l l i n gs y s t e m a f t e r w a r d s t h em a n u a le x p e r i m e n t sw e r ed e s i g n e db a s e do n t h es i m u l a t i n gf l e s h 1 i i 北京郵電大學博士學位論文 a i rs y s t e m t h r o u g he x p e r i m e n t s t h ev a l i d i t yo ft h es y s t e mi sv 鰣f i e d t h eo p e r a t i o n f e a t u r e so ft h es y s t e mc o m p o n e n t sa r em a s t e r e d a n dam a s so fv a l i dt e s td a t aa r e a c h i e v e d w h i c hp r o v i d es u f f i c i e n td a t as u p p o r tf o rt h ef u z z yc o n t r o lr e a l i z a t i o no ft h e f r e s ha i rs y s t e m a d a p t i v en e u r o f u z z ym o d e l i n ga n dp a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o n f o u r t h l y t h ef a nc o i la n dt h er o o mt e m p e r a t u r em o d e lw e r ef o c u s e do na n d e s t a b l i s h e d i nt h er o o mt e m p e r a t u r em o d e l t h ee x t e r n a le n v i r o n m e n ts u c ha so u ta i r t e m p e r a t u r ea n dh e a t1 0 a dd i s t u r b a n c e sa r ea l lt a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n w h i c hm a k e s t h ec o n t r o lm o d e ls i m u l a t et h e a c t u a ls y s t e mc h a r a c t e r i s t i c sm o r ea c c u r a t e l y t h i s w o r ki st h es o l i db a s i st ov e r i f yt h er e a s o n a b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s so ft h ed e s i g no ft h e f u z z yc o n t r o l l e r f i f t h l y t h em a m d a n if u z z ya l g o r i t h mw a sp r o p o s e df o rt h ef i r s tt i m et oc o n t r o l t h et e m p e r a t u r eo ft h es i m u l a t i n g 舶s ha i rs y s t e ma c c o r d i n gt ot h en o n l i n e a r i t ya n d h y s t e r e s i so ft h es y s t e m 1 1 1 ef u z z yc o n t r o l l e r so ft h r e eo p e r a t i o nm o d e so ft h es y s t e m a r ea l s od e s i g n e di nw o r k s p a c ea n ds i m u l a t e dn u m e r i c a l l yw i t hm a t l a b s i x t h l y a d a p t i v en e u r a lf u z z yi n f e r e n c ec o n t r o l l e rw a sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h em a t h e m a t i c a lm o d e l w h i c hc o m b i n e st h en e u r a ln e t w o r kt h e o r y w i t ht h et sf u z z ym o d e l r e g a r d i n gt h ed e v i a t i o na n dt h er a t eo ft h ed e v i a t i o na st h e i n p u ta n dt h ec o n t r o l l i n gv a r i a b l ea so u t p u t t h ep r o p o s e dc o n t r o l l e rw a sr e a l i z e db y c o n t i n u o u sb pn e u r a ln e t w o r ku s i n gt h ea p p r o x i m a t i o na b i l i t yo ft h en e t w o r k t h e a d a p t i v en e u r o f u z z yc o n t r o l l e r o ft h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o war e a s o n a b l e i d e n t i f i c a t i o no ft h ep a r a m e t e r s a n dt h es i m u l a t e do u t p u tc a na p p r o a c ht h eo r i g i n a l o u t p u tv e r yc l o s e l ya n dt h ee r r o ri sa l m o s tz e r o w h i c hv e r i f i e st h ep r o p o s e da d a p t i v e n e u r a lm o d e l i n g f i n a l l y an u m b e ro ff u z z ye x p e r i m e n t sw e r ed e s i g n e da n dc a r r i e do u tt ov e n f y t h ec o r r e c t e s sa n df e a s i b i l i t yo ft h ef u z z ya r i t h m e t i c t h er e s u l ts h o w st h a tt h ef u z z y c o n t r o l l e ri so fg o o dp e r f o r m a n c eo fr o b u s t n e s sa n da d a p t a b i l i t y a n di tm e e t st h e c o n t r o lr e q u i r e m e n to ft h ef r e s ha i rt e m p e r a t u r e t 1 1 i ss t u d yp r o v i d e st h e o r e t i c a lb a s i sa n dt e c h n i c a ls u p p o r tf o rf u t u r ea p p l i c a t i o n o ft h ef l e s ha i rs y s t e mw i t hs o l a rc o l l e c t o r sa n dl h t s k e y w o r d s s o l a re n e r g y l h t s f r e s ha i r m a t h e m a t i c a lm o d e l f u z z yc o n t r o l a n f i s p a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o n i v 北京郵電人學博士學位論文 目錄 目錄 摘要 i a b s t r a c t i i i 目錄 v 第一章緒論 1 1 1 弓i 言 1 1 2 太剛能一相變蓄熱新風系統(tǒng)應用研究 2 1 2 1 國外研究現(xiàn)狀 3 1 2 2 國內發(fā)展動態(tài) 一4 1 3 太陽能 相變蓄熱新風系統(tǒng)控制策略研究 5 1 3 1 智能控制理論發(fā)展 一5 1 3 2 國外研究現(xiàn)狀 7 1 3 3 國內發(fā)展動態(tài) 9 1 4 太剛能與相變蓄熱技術現(xiàn)狀總結 1 0 1 5 本論文研究的主要內容 1 0 第二章太陽能 相變蓄熱新風系統(tǒng)實驗平臺 1 2 2 1 引言 一l2 2 2 太陽能 相變蓄熱新風系統(tǒng)原理與結構 1 2 2 2 1 系統(tǒng)運行原理 1 2 2 2 2 系統(tǒng)結構分析 1 3 2 3 太陽能 相變蓄熱新風系統(tǒng)的運行模式 1 5 2 3 1 集熱系統(tǒng)運行模式 1 5 2 3 2 蓄熱系統(tǒng)運行模式 1 7 2 4 新風系統(tǒng)測控功能與實現(xiàn) 2 3 2 5 本章小結 2 3 第三章太陽能 相變蓄熱新風模擬系統(tǒng)實驗平臺 2 4 3 1j i 言 2 z l 3 2 太陽能 相變蓄熱新風模擬系統(tǒng)控制目標 2 4 3 3 太陽能 相變蓄熱新風模擬系統(tǒng)測控設計與實現(xiàn) 2 6 3 3 1 測控參數(shù)分析 2 6 3 3 2 硬件結構設計 2 7 3 3 3 軟件實現(xiàn) 3 0 3 4 太陽能 相變蓄熱新風模擬系統(tǒng)運行模式轉換控制 3 2 3 4 1 系統(tǒng)各部分啟?？刂?3 2 3 4 2 模式運行確定 3 3 3 4 3 模式運行轉換依據(jù) 3 5 3 4 4 模式運行轉換控制 3 7 3 5 太陽能 相變蓄熱新風模擬系統(tǒng)實驗設計與分析 3 9 3 5 1 實驗設計 3 9 3 5 2 結果分析 4 0 v 北京郵電大學博士學位論文目錄 3 6 本章小結 4 2 第四章太陽能 相變蓄熱新風模擬系統(tǒng)各部分模型建立 4 3 4 1 弓i 言 z l i 4 2 相變蓄熱裝置數(shù)學模型 4 3 4 2 1 相變蓄熱裝置內部相變蓄熱材料的計算模型 4 3 4 2 2 相變蓄熱裝置內部熱媒水的計算模型 4 6 4 3 風機盤管數(shù)學模型 4 6 4 3 1 風機盤管微分方程式 4 7 4 3 2 風機盤管控制模型 4 8 4 4 新風房間控制模型 一4 9 4 4 1 室溫調節(jié)對象微分方程式 4 9 4 4 2 傳遞函數(shù)模型 51 4 4 3 房間溫控經(jīng)驗模型 5 3 4 5 本章小結 5 3 第五章太陽能 相變蓄熱新風模擬系統(tǒng)模糊控制設計與實現(xiàn) 5 5 5 1 引言 5 5 5 2 模糊控制的特點 5 5 5 3 模糊控制算法選擇 5 6 5 3 1m a m d a n i 型模糊控制器 5 6 5 3 2 模糊控制器設計 5 7 5 3 3 模糊控制系統(tǒng)結構 5 9 5 4 太陽能 相變蓄熱新風溫度模糊控制研究 6 0 5 4 1 總體算法分析 6 0 5 4 2 新風溫度模糊控制器設計 6 0 5 a 3 仿真結果分析 6 3 5 5 太陽能 相變蓄熱新風溫度模糊控制系統(tǒng)實現(xiàn) 6 5 5 5 1 太阡l 能全供風模式模糊控制設計 6 5 5 5 2 蓄熱裝置全供風模式模糊控制設計 6 8 5 5 3 太陽能邊供風邊蓄熱模式模糊控制設計 7 l 5 6 本章小結 7 5 第六章太陽能 相變蓄熱新風模擬系統(tǒng)自適應神經(jīng)模糊建模與參數(shù)辨識 7 6 6 1 引言 一7 6 6 2t s 型模糊推理模型確定 9 8 1 0 1 7 6 6 2 1 輸出函數(shù)職l 2 選擇 7 6 6 2 2 系統(tǒng)輸出u 確定 7 7 6 2 3 規(guī)則權重w i 選擇 7 7 6 3b p 神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng) 1 0 2 7 8 6 3 1b p 神經(jīng)元網(wǎng)絡模型 7 8 6 3 2 學習訓練算法 7 8 6 3 3 激活函數(shù)選擇 8 l 6 4 新風溫度自適應神經(jīng)模糊控制建模與參數(shù)辨識 81 6 4 1 新風模擬系統(tǒng)的自適應神經(jīng)模糊控制系統(tǒng)設計 8 l 6 4 2 模糊控制器的b p 網(wǎng)絡參數(shù)辨識 8 4 v l 北京郵電大學博士學位論文目錄 6 4 3 自適應神經(jīng)模糊系統(tǒng)建模 8 5 6 4 4 仿真結果與分析 8 7 6 5 本章小結 9 l 第七章太陽能 相變蓄熱新風溫度模糊控制實驗結果 9 2 7 1 響應速度與隨動特性 9 2 7 1 1 實驗設計 9 2 7 1 2 結果分析 9 2 7 2 魯棒性與穩(wěn)定性 9 3 7 2 1 實驗設計 9 3 7 2 2 結果分析 9 3 7 3 運行模式之間的轉換 9 4 7 3 1 實驗設計 9 4 7 3 2 結果分析 9 4 7 4 本章小結 9 5 第八章總結與展望 9 6 8 1 總結 9 6 8 2 展望 9 7 附萄毛 一9 8 參考文獻 10 7 致謝 11 4 個人簡歷 1 l5 v h 北京郵電大學博士學位論文 第一章緒論 1 1 引言 第一章緒論 中國是建筑業(yè)大國 建筑業(yè)已成為國民經(jīng)濟的支柱產業(yè)之一 建筑節(jié)能和建 筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展不僅關系到老百姓的生活質量 而且也是關系國計民生的大 事 在國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著非常重要的作用 中國正處于城鎮(zhèn)化和工業(yè)化快速發(fā)展時期 每年大約2 0 億m 2 的建筑總量 接近全球年建筑總量的一半 據(jù)有關部門測算 目前住宅總能耗已占全國能耗的 3 7 t 1 1 而中國目前的能耗結構仍以不可再生能源為主 煤炭消費約占總能耗的 6 7 相當于全球煤炭消費占總能耗比例的3 倍 2 據(jù)統(tǒng)計 我國華北 東北和 西北地區(qū)的采暖能耗約占全年總商品能源消費量的1 3 以北京市為例 北京地 區(qū)全年消耗標準煤約2 7 0 0 萬噸 僅冬季采暖用煤就達6 0 0 萬噸左右 約占全年 總能耗的2 2 2 3 6 0 0 萬噸煤炭集中在四個月燒盡 而且大量小型采暖鍋爐 的熱效率僅在5 0 左右 標準煤耗5 5 6 2k e d c j t 3 1 這種高密度的 多點的低空 污染物排放 造成北京地區(qū)的大氣污染相當嚴重 冬季空氣中的二氧化硫與飄塵 濃度是非采暖期的六倍以上 嚴重超過國家大氣質量標準 眾多的商務辦公樓宇 酒店 商場 企事業(yè)大多采用中央空調系統(tǒng)實現(xiàn)室內 溫度調節(jié) 據(jù)統(tǒng)計 中央空調系統(tǒng)的耗電占這些單位日常耗電量的6 0 以上 可以說用電開支中最大的一項 中央空調系統(tǒng)運行時間長 耗電量大 是企事業(yè) 單位一直難以解決的課題之一 因此降低中央空調系統(tǒng)的耗電量的技術具有很高 的經(jīng)濟價值和社會價值 隨著人們生活水平的提高和建筑節(jié)能的開展 建筑的密閉性越來越高 減少 了因開窗和冷風滲透所引起的熱負荷 然而卻帶來了室內空氣品質低劣的情況 伴隨人們對環(huán)境和健康的日益注重 新風量的有效供給對空調系統(tǒng)來說尤為重 要 但是 對于冬季空調供暖系統(tǒng) 由于室內外溫差大 用于加熱新風所需的能 耗比較大 目前采用比較多的方式是 利用全熱回收熱交換器回收一部分排風中 的熱量 但是因為回收熱量有限 送入房間的新風溫度偏低 仍然需要補充加熱 太陽能以其取之不盡 廉價 安全 無需運輸 清潔無污染等特點受到人們 的重視 中國位于地球的北緯18 5 4 這一區(qū)域太陽的年輻射總量為3 3 5 1 0 0 0k j c m 2 年照度時數(shù)為1 0 0 0 3 0 0 0 h 通常 位于全年輻射強度大于 5 0 0 k j c m 2 年照度時數(shù)超過2 2 0 0 h 的地區(qū) 都屬于太陽能資源利用價值高的地 區(qū) 根據(jù)中國城鎮(zhèn)太陽能采暖資源劃分區(qū)綜合數(shù)據(jù) 北京地區(qū)屬于太陽能資源利 用價值高的地區(qū) 4 1 但是 太陽能作為一種間歇式能源 熱流密度不高 并且其 北京郵電大學博士學位論文第一章緒論 輻射受到晝夜 季節(jié)以及雨雪天氣等因素的影響 輻射強度變化大 不穩(wěn)定 表 現(xiàn)為間斷性和不穩(wěn)定性 這給太陽能的利用帶來了很大的難度 導致其白天和夜 里工作狀況不能一致 針對以上問題 本課題對一種新型的太陽能 相變蓄熱新風系統(tǒng)進行了深入 的研究 它把太陽能技術與相變蓄熱技術應用于冬季輔助供暖系統(tǒng)中 實現(xiàn)房間 有組織的通風換氣 用太陽能來加熱新風 使新風具有承擔部分室內采暖負荷的 能力 實現(xiàn)可再生能源直接應用于空調供暖系統(tǒng)的節(jié)能目的 為國家緩解能源和 環(huán)境壓力提出一種新的節(jié)能減排方法 同時 要想滿足新風舒適 節(jié)能和穩(wěn)定的需要 必須有合理的系統(tǒng)控制策略 太陽能 相變蓄熱新風系統(tǒng)的控制策略可以分為基于模型的控制和無模型智能控 制 基于模型的控制是以模型預測為基礎的計算機優(yōu)化控制方法 為了提高系統(tǒng) 的控制精度 實現(xiàn)對新風溫度更有效穩(wěn)定的控制 需要采用各種基于熱力學模型 的控制算法來提高控制器的穩(wěn)定性和響應速度 這就需要建立精確的數(shù)學模型 無模型智能控制主要是以實驗數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗為基礎的自動控制方法 在無 模型控制中 系統(tǒng)的控制精度很大程度上取決于手動控制的經(jīng)驗和規(guī)律 對本文所研究的太陽能一相變蓄熱新風系統(tǒng)來說 基于模型的控制精度一方 面取決于模型的結構 另一方面與模型中各個參數(shù)密切相關 由于系統(tǒng)中各執(zhí)行 器 如 閥f j 的運行特性是非線性的 并且隨著時間的推移 設備會老化和更 換 從而也會造成系統(tǒng)參數(shù)的變化 并且在不同環(huán)境條件下 新風溫度的模型和 新風空調房間的模型是時變且不確定的 所以 在新風系統(tǒng)罩 系統(tǒng)的數(shù)學模型 很難建立 綜上所述 為了推動太陽能 相變蓄熱新風系統(tǒng)的研究和應用 本論文一方 面深入研究并設計實現(xiàn)了太陽能 相變蓄熱新風模擬系統(tǒng)的無模型智能控制 另 一方面重點嘗試建立系統(tǒng)各部分的熱力學模型 并提出了太陽能 相變蓄熱新風 模擬系統(tǒng)自適應神經(jīng)模糊建模和參數(shù)辨識的方法 這些研究對提高太陽能 相變 蓄熱新風模擬系統(tǒng)的控制精度具有重要的理論意義和實際應用價值 1 2 太陽能 相變蓄熱新風系統(tǒng)應用研究 本節(jié)將從太陽能技術應用 相變蓄熱技術應用 太陽能與相變蓄熱技術相結 合的應用的方向出發(fā)分別研究國外和國內的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀 2 北京郵電大學博士學位論文 第一章緒論 1 2 1 國外研究現(xiàn)狀 由于國外太陽能技術比較成熟 早在2 0 世紀5 0 年代 太陽能熱利用的先驅 j o d a n 和t h e r k e l d 就指出了太陽能水泵聯(lián)合系統(tǒng)的有利性 國外很多專家學者在 太陽能應用方面的研究開始得很早 而且取得了很多值得借鑒的成果 這些研究 基本分為以下幾類 1 直膨式太陽能直接供暖系統(tǒng) 2 帶有蓄熱裝置的太陽能 供暖系統(tǒng)3 太陽能一土壤源水泵供暖系統(tǒng) 在過去的幾十年內 國外學者們從設計 計算模型 測試的角度對太陽能技 術的應用進行了研究 1 太陽能直接供暖方面 日本的柳木政助進行了直膨式太陽能直接供暖研究 并于1 9 5 8 年設計并建 造了典型的雙槽式太陽能供暖系統(tǒng) 美國在上個世紀6 0 7 0 年代最先開始了 太 陽房發(fā)展計劃 5 迄今為止歷經(jīng)了3 個階段 主動式系統(tǒng)階段 被動式系統(tǒng)階 段 太陽能蓄存與有效利用階段 隨著設計經(jīng)驗 實驗方法以及計算機技術的不 斷發(fā)展 太陽房技術日趨成熟 2 0 世紀8 0 年代以后 日本建造了木村太陽房 積水十三菱重工 永大十夏普等多種具有太陽能供暖系統(tǒng)的太陽房 6 k i t a m i 工程學院對串聯(lián)和并聯(lián)兩種太陽能供熱系統(tǒng)進行了5 年的測試和研究 并在此基 礎上開發(fā)了用于評價太陽能供熱系統(tǒng)熱性能的計算機模擬程序f 7 1 意大利學者對 本土氣候條件下太陽能供熱系統(tǒng)的性能進行了研究 并建立了用于計算機分析的 太陽能供熱系統(tǒng)理論模型8 1 t o n e s r e y e s 等學者理論和實驗研究了制冷劑在太 陽能集熱器內膨脹的太陽能水泵系統(tǒng) 并進行了熱力學優(yōu)化 考慮了典型的設計 參數(shù)和性能系數(shù) 9 1 0 1 德國將傳統(tǒng)的被動式太陽房與太陽能集熱器 熱交換器等 相結合 對房間的生活用熱水進行預處理 以實現(xiàn)整棟建筑5 0 8 0 的供熱需 求 全年房間平均熱負荷僅為5 6w m 遠遠低于德國的節(jié)能標準1 5w m t h 13 1 2 帶有蓄熱裝置的太陽能供暖方面 y u m r u t a s 和k o s k a 設計并研究了帶有蓄熱水箱的太陽能熱泵供暖系統(tǒng) 該 供暖系統(tǒng)基本上由平板太陽能集熱器 熱泵 蓄熱水箱 測量裝置組成 作者研 究了氣候條件和運行參數(shù)對系統(tǒng)運行性能系數(shù)的影響并評價了其性斛1 4 芬蘭赫 爾辛基大學對具有季節(jié)性蓄熱器的太陽能供熱系統(tǒng)的集熱面積 蓄熱器容積及供 能成本隨緯度變化的最優(yōu)化問題進行了研究 l5 1 b a d e s c u 研究了太陽能熱泵供暖 系統(tǒng)中熱能儲存裝置的模型 并應用熱力學第一定律和第二定律進行了分析 1 6 1 8 a u c a r m i n a l l i 分析了在不同的氣候條件下 太陽能季節(jié)性熱儲存集中 供暖系統(tǒng)的熱性能及經(jīng)濟可行性 并分別建立了平板太陽能集熱器 熱泵 蓄熱 裝置 供暖負荷的仿真模型 1 9 太陽能與相變蓄熱技術相結合方面 日本學者對采用了粒狀相變蓄熱材料的 3 北京郵電大學博士學位論文 第一章緒論 蓄熱型地板空調送風系統(tǒng)的蓄放熱特性及其對室內熱環(huán)境的影響 進行了數(shù)值模 擬計算和實驗研究 2 她2 1 尼日利亞學者采用單層平板集熱器 其內部通過加入 以石蠟為主要成分的定型相變材料 來減少集熱器內部的對流熱損失并提高集熱 器的效率 2 3 1 c h o w t t 對太陽能熱水和光伏整合系統(tǒng)進行了模擬分析 數(shù)學模 型采用有限插分法和控制容積法 并搭建了實驗臺 通過對系統(tǒng)日效率的分析 數(shù)學模型與實驗結果有很好的匹配性 k o c a a h m c t 采用c a c l 2 6 h 2 0 作為蓄熱 槽中的相變材料 把平板集熱器的熱量儲存到裝有相變材料的蓄熱槽中 2 4 3 2 l 3 太陽能一土壤源熱泵供暖方面 太陽能集熱器和埋地盤管組合的設想是彭羅德 p e n r o d 于1 9 5 6 年首次提 出的 隨后他又相繼給出了太陽能 土壤源熱泵系統(tǒng) 簡稱s e s h p 系統(tǒng)的工作 原理圖和s e s h p 系統(tǒng)的設計過程 3 3 3 5 1 9 7 8 1 9 8 1 年 美國布魯克海文國家實 驗室 b r o o k h a v e nn a t i o n a ll a b o r a t o r y 對帶圓柱型地下蓄熱罐的串連太陽能 熱泵系統(tǒng)進行了實驗與模擬研究 結果表明 在冬季供暖運行工況下 地下蓄熱 罐可以使太陽能熱泵工作性能更穩(wěn)定 而且可以減小輔助熱源的容量 3 6 1 y u m r u t a s 等研究了帶有季節(jié)性地下蓄熱裝置的太陽能熱泵系統(tǒng)的運行性能 并編制計 算機程序 研究了全年蓄熱體中水溫的分布情況 結果表明 土壤類型以及蓄熱 裝置尺寸對整個系統(tǒng)的性能影響很大 3 7 法國的v t r i l l a t b e r d a l 等利用太陽能作 為熱源 結合土壤源熱泵進行了供暖 供生活熱水的實驗 在實驗中 過剩的太 陽能蓄存到土壤中 這樣有助于保證土壤蓄熱和取熱的平衡 提高太陽能集熱器 的利用率 3 引 o n d e ro z g e n e r 研究 測試了太陽能熱泵系統(tǒng)結合u 型管土壤換 熱器的性能 結果表明這種組合形式可以降低土壤耦合熱泵系統(tǒng)的設計尺寸 并 且由于有較高的換熱流體溫度 提高了系統(tǒng)性能參數(shù) 3 1 1 2 2 國內發(fā)展動態(tài) 我國關于太陽能和相變蓄熱技術利用方面的研究起步比較晚 對太陽能熱利 用的研究的熱點仍然集中在太陽房和太陽能熱水器上 對太陽能供暖系統(tǒng)的研究 基本處于初級階段 天津大學 上海交通大學 東南大學 天津商學院 哈爾濱 工業(yè)大學 清華大學 北京工業(yè)大學的學者在太陽能的應用方面進行了實驗分析 以及理論研究 取得了一定的成果 天津大學的趙軍 劉倩等對太陽能熱泵供暖供熱水系統(tǒng)進行了實驗研究和理 論分析 實驗結果表明 系統(tǒng)可以四季穩(wěn)定運行 節(jié)約了能源 4 2 4 3 上海交通大 學的曠玉輝 王如竹等對直膨式太陽能熱泵熱水器進行了實驗驗研究 該熱水器 可全天候提供4 5 5 0 c 生活熱水 并且其分體式的結構尤其適合于高層或多層 建筑 州 東南大學則針對典型的太陽能供暖系統(tǒng) 給出了系統(tǒng)各設備的能量平衡 4 北京郵電大學博士學位論文第一章緒論 方程 分析了太陽能熱泵供熱系統(tǒng)的供熱性能系數(shù) 4 5 1 天津商學院林國星等人對 太陽能一土壤源熱泵交替供暖運行進行了實驗研究m 在太陽能與蓄熱系統(tǒng)相結合的方面 張喜明等介紹了太陽能熱泵低溫地板輻 射供暖系統(tǒng)的工作原理和構成 并以青島地區(qū)為例 設計了太陽集熱器 蓄熱器 地板換熱盤管等設備 探討了系統(tǒng)的總體的設計方法f 4 7 施明恒等著重分析了液體除濕空調系統(tǒng)中溶液的再生機理和再生過程的傳 熱傳質特性 對再生器的蓄能特性進行分析 討論了太陽能液體除濕空調系統(tǒng)蓄 能工況的運行方式 鋼 胡洋等在探討建筑的完整意義的基礎上 提出將太陽熱水系統(tǒng)節(jié)能技術納入 建筑有機設計過程的整合設計概念 4 9 北京建筑工程學院采用太陽能地板輻射采 暖的方式將太陽能集熱與地板輻射采暖結合在一起 并對其進行了理論和實驗研 究 實驗結果表明 該系統(tǒng)具有良好的使用效果 不僅具有較好的舒適性 而且 具有一定的環(huán)保性能 節(jié)能效果明顯即 建成并投入使用的拉薩火車站暖通空 調設計 采用了室內地板采暖系統(tǒng) 太陽能集熱系統(tǒng) 蓄熱系統(tǒng) 其運行節(jié)能效 果顯著 5 王永川等探討了組合相變蓄熱材料用于儲熱的問題 研究表明 該相變蓄熱 材料具有環(huán)保 高效 節(jié)能 安全等多個優(yōu)點 非常適合于太陽能供暖系統(tǒng)的蓄 熱 可以替代傳統(tǒng)的取暖設備 5 羽 清華大學提出了一種與太陽能集熱器結合的定形相變蓄能地板采暖系統(tǒng) 并 搭建了應用此系統(tǒng)的實驗房間 測量了系統(tǒng)和房間溫度 結果表明 此系統(tǒng)明顯 提高了房間夜間溫度 可以作為常規(guī)供暖的補充 減小采暖能耗 5 3 1 北京工業(yè)大學的陳超教授帶領的科研小組研究了板狀定形相變材料的中溫 蓄熱裝置在空調采暖系統(tǒng)中的應用 采用數(shù)值模擬與實驗結合的方法 分析相變 蓄熱裝置蓄 放熱特性的影響規(guī)律 并對相變蓄熱裝置應用于采暖系統(tǒng)進行了模 擬研究 為蓄熱裝置的優(yōu)化設計和實際應用提供理論參考依據(jù)瞰 5 引 本課題的研 究是基于與陳超教授合作承擔的北京市教委項目 太陽能 相變蓄熱復合技術 1 3 太陽能 相變蓄熱新風系統(tǒng)控制策略研究 本節(jié)將從智能控制理論的發(fā)展和空調系統(tǒng)控制策略的方向出發(fā) 研究國內國 外的控制策略發(fā)展歷史和現(xiàn)狀 1 3 1 智能控制理論發(fā)展 自動控制理論是自動控制科學的核心 智能控制理論是綜合了人工智能 自 5 北京郵電大學博士學位論文第一章緒論 動控制 運籌學 信息論等多學科的最新成果并在此基礎上形成的 從 智能控 制 概念的提出到現(xiàn)在 自動控制和人工智能專家和學者已經(jīng)提出了各種智能控 制理論 有些已經(jīng)在實際中發(fā)揮了重要作用 下面對一些有影響的智能控制理論 和系統(tǒng)進行介紹 1 遞階智能控制 遞階智能控制 h i e r a r c h i c a li n t e l l i g e n tc o n t r 0 1 是在研究早期學習控制系統(tǒng) 的基礎上 從工程控制論角度總結人工智能與自適應控制 自學習控制和自組織 控制的關系之后逐漸形成的 該系統(tǒng)由組織級 協(xié)調級 執(zhí)行級3 級組成 智能 主要體現(xiàn)在高的層次即組織級上 由人工智能起控制作用 協(xié)調級是組織級和執(zhí) 行級之間的接口 承上起下 由人工智能和運籌學共同作用 執(zhí)行級要求具有較 高的精度和較低的智能 仍然采用現(xiàn)有數(shù)學解析控制算法 對相關過程執(zhí)行適當 的控制作用 5 9 2 專家智能控制 專家系統(tǒng) e x p e r ts y s t e m 是人工智能的一個重要分支 應用專家系統(tǒng)的概 念和技術 模擬人類專家的控制知識與經(jīng)驗而建造的控制系統(tǒng) 就是專家控制系 統(tǒng) 雖然專家控制系統(tǒng)是基于專家系統(tǒng)建立起來的 但是它與專家系統(tǒng)之間存在 一些重要差別 首先 一般的專家系統(tǒng)中操作人員是系統(tǒng)的組成部分 通過人機 對話完成 計算機專家 的功能 而專家控制系統(tǒng)中沒有操作人員的參與 要求專 家控制系統(tǒng)能夠獨立和自動地對控制對象做出決策 其次 專家系統(tǒng)通常以離線 方式工作 而專家控制系統(tǒng)需要獲取在線動態(tài)信息 并對系統(tǒng)進行實時控制刪 3 模糊智能控制 模糊理論是美國加利福尼亞大學的自動控制理論專家l a z a d e h 教授最先提 出的 1 9 6 5 年他在 i n f o r m a t i o n c o n t r o l 雜志上發(fā)表了 f u z z ys e t 模糊集 一文 首次提出了模糊集合的概念 并很快被人們接受 1 9 7 4 年 英國的m a m d a n i 首 先把模糊理論用于工業(yè)控制 取得了良好的效果 從此 模糊邏輯控制理論和模 糊邏輯控制系統(tǒng)的應用發(fā)展很快 展示了模糊理論在控制領域中有著很好的發(fā)展 前景 模糊邏輯控制現(xiàn)已成為智能控制的重要組成部分唧 4 神經(jīng)網(wǎng)絡智能控制 1 9 4 3 年麥卡洛克和皮茨 p i t t s 提出一種叫做 似腦機器 m i n d l i k em a c h i n e 的 思