模型預(yù)測控制的一種高效節(jié)能的實(shí)驗(yàn)分析

1、模型預(yù)測控制的一種高效節(jié)能的實(shí)驗(yàn)分析建筑采暖系統(tǒng)摘要低能耗建筑在近幾年吸引了大量的關(guān)注。大部分研究集中在 建筑施工或替代能源。在相反，本文提出了利用現(xiàn)有的能源和最小的改造最大限度地減少能源消耗的一般方法，但 而不是利用先進(jìn)的控制技術(shù)。我們專注于節(jié)能的分析 可以在建筑物加熱系統(tǒng)通過將模型預(yù)測控制（MPC），并使用可以實(shí)現(xiàn) 天氣預(yù)測。 MPC的基本配方是重點(diǎn)對建筑控制描述 應(yīng)用和測試，在一個(gè)真正的建筑在布拉格，捷克進(jìn)行了2個(gè)月實(shí)驗(yàn) 共和國。 ？2011 Elsevier公司保留所有權(quán)利介紹建筑物占終端能源消費(fèi)總量的20-40 ，其金額已0.5-5的增長速度，每年在發(fā)達(dá)國家 1 。由于發(fā)展領(lǐng)域機(jī)械和

2、土木工程，建筑的能源需求可顯著降低。不幸的是，大多數(shù)傳統(tǒng)的節(jié)能減排解決方案需要大量的額外投資。相比之下，節(jié)約能源以最小的額外成本可以通過改進(jìn)的樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)（BAS） 。在今天的建筑不僅加熱，通風(fēng)和空氣空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)可以自動(dòng)地控制，但還盲目定位系統(tǒng)，照明系統(tǒng)可以通過操作BAS的2,3。本文重點(diǎn)介紹了基于樓宇控制作為優(yōu)化問題的制定方法。建筑物理配制中所使用的數(shù)學(xué)模型對于未來的建筑行為根據(jù)預(yù)測所選擇的操作策略，天氣和占用預(yù)測。其目的是設(shè)計(jì)一個(gè)控制策略，最大限度地減少能耗（或運(yùn)營成本） ，同時(shí)保證滿足所有舒適性的要求。先進(jìn)的控制技術(shù)通常表示為模型預(yù)測控制（ MPC）的文件中描述。有關(guān)預(yù)測

3、文獻(xiàn)的全面介紹樓宇控制可以在OptiControl的網(wǎng)站上找到項(xiàng)目1。 MPC用于樓宇控制的主要原則是有效地利用熱質(zhì)量或熱存儲(chǔ)建筑物的。中提出的一項(xiàng)研究 4 是其中制定了蓄熱的控制作為優(yōu)化問題的第一篇論文。一個(gè)簡單的太陽能生活熱水系統(tǒng)考慮的控制天氣預(yù)報(bào)和兩個(gè)能量率有討論。一些早期文獻(xiàn) 5,6利用處理成本最低的冷卻策略建筑群作為蓄熱。積極利用概述熱建筑物的質(zhì)量是由于在 7 ，其中的可變能量價(jià)格和峰值功率的成本被認(rèn)為是最優(yōu)化問題的提法。這最大限度地減少了控制器相對于時(shí)間變化的電能價(jià)格冷卻成本也出現(xiàn)在 8 。其目的是利用夜間的優(yōu)勢電率和降低的環(huán)境溫度而預(yù)冷的冷凍水箱。預(yù)冷的實(shí)驗(yàn)結(jié)果9 ，其中一個(gè)更詳

4、細(xì)的建筑負(fù)荷模型，提出了使用。用熱質(zhì)量加熱預(yù)測控制進(jìn)行了討論中，如10,11 。有關(guān)節(jié)約能源，利用貨幣政策委員會(huì)不同的熱舒適標(biāo)準(zhǔn)在 12 中討論除了能量最小化，預(yù)測控制也可以促進(jìn)能量峰值降低13,14 。節(jié)能減排高峰可顯著降低建設(shè)運(yùn)營成本和機(jī)械零件的初始成本，如果考慮在建筑設(shè)計(jì)。當(dāng)前電網(wǎng)負(fù)荷和能量還原峰被認(rèn)為是在15。用于供熱系統(tǒng)的大小進(jìn)行預(yù)測控制連續(xù)使用中的建筑物是在 16 中討論，其中模型被分解為4簡單的RC模型，使之室外空氣溫度，太陽輻射，并且內(nèi)部收益分別貢獻(xiàn)建模。如所提到的， MPC是不是可以使用的唯一方法為優(yōu)化樓宇控制。有無數(shù)次嘗試?yán)媚切┲墓I(yè)先進(jìn)控制技術(shù)過程控制也為樓宇控制

5、17 。我們簡單地提到一些最近發(fā)表的替代解決方案，以最佳的樓宇控制的。對于一般的動(dòng)態(tài)規(guī)劃問題鉆孔熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)的控制是這樣解決的18。的目的是要保證熱或冷傳送allyear繞，同時(shí)最小化操作成本。用于建筑物的熱存儲(chǔ)控制的加強(qiáng)學(xué)習(xí)技術(shù)在19,20概述。提供真實(shí)的實(shí)驗(yàn)大樓只有8.3 的成本節(jié)約，因?yàn)樾顭嵋恢敝徊糠钟蓪W(xué)習(xí)控制策略利用。在21中，一組的模糊規(guī)則被用來降低所需的調(diào)諧時(shí)間的監(jiān)督控制器。遺傳算法和模擬退火算法被用于冷卻 22 的最優(yōu)控制。目標(biāo)是設(shè)計(jì)最佳的經(jīng)濟(jì)利用自然通風(fēng)，風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)的通風(fēng)和機(jī)械空調(diào)對于室內(nèi)溫度的要求。不可控制的可能的控制序列的數(shù)目減少代價(jià)的實(shí)際問題，基于物理洞察力。MPC的使用在

6、樓宇控制應(yīng)用的不斷普及最近幾年是無可爭議的，但是，大多數(shù)的結(jié)果都是基于在模擬或短時(shí)間的實(shí)驗(yàn)。在本文中，我們提供的MPC實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)的描述一個(gè)真實(shí)的構(gòu)建和我們分析從操作兩個(gè)月的成果。該本文的結(jié)構(gòu)如下。該預(yù)測控制策略是呈現(xiàn)在第2節(jié)。 Section3is專門的建模與壓力在統(tǒng)計(jì)建模。詳細(xì)的案例研究是在Section4討論。該科5concludes紙2 。模型預(yù)測控制樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)（BAS ）的目的是控制的加熱，冷卻，通風(fēng)，盲目定位，電力照明，構(gòu)建這樣的溫度， CO2and亮度在水平房間或建筑區(qū)停留所需的舒適范圍內(nèi)。一個(gè)一般會(huì)將控件層次結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)層次：通常工作在房間級低液位控制器以及用于跟蹤一個(gè)指

7、定的設(shè)定值，和一個(gè)高級別控制器這是做了整幢建筑，并確定設(shè)定值對于低級別的控制器。本文重點(diǎn)介紹的用法模型預(yù)測控制（MPC ），其被用作高層控制器。2.1 。 MPC策略MPC是它起源于約束控制的方法七十年代末和八十年代初在流程行業(yè)（石油煉油廠，化工廠等） （參見，例如 2326 ） 。 MPC是不是一個(gè)單一的的策略，但一類的控制方法，與該過程的模型明確地表示，為了通過最小化目標(biāo)函數(shù)受到一些限制，以獲得控制信號。在樓宇控制人會(huì)著眼于優(yōu)化能源使用或成本受安慰的制約。在每個(gè)采樣間隔，有限的視距最優(yōu)控制問題是制定并解決了在有限的未來窗口。該結(jié)果是輸入的軌跡，并指出在未來滿足同時(shí)優(yōu)化了動(dòng)態(tài)和建筑物的限制某

8、些給定的標(biāo)準(zhǔn)。在建設(shè)控制方面，這意味著在當(dāng)前的時(shí)間點(diǎn)，加熱/冷卻等計(jì)劃制定了接下來的幾個(gè)小時(shí)到幾天，根據(jù)預(yù)測即將到來的天氣情況。任何其他干擾（例如，內(nèi)部收益）的預(yù)測，時(shí)間依賴性的控制的費(fèi)用（例如，動(dòng)態(tài)電價(jià)） ，或限制（例如，熱舒適范圍）可以很容易地包含在優(yōu)化。該控制方案的第一步驟中被施加到建筑中，設(shè)置所有的加熱，冷卻和通風(fēng)的元素，則該過程移動(dòng)一步前進(jìn)和重復(fù)該過程在接下來的時(shí)刻。這種滾動(dòng)時(shí)域方法就是引入反饋到系統(tǒng)中，因?yàn)樾碌淖顑?yōu)控制問題在接下來的時(shí)間間隔的開始解決將是的新狀態(tài)，因此在該時(shí)間點(diǎn)和功能已作用于建筑物的任何干擾。圖。 1summarizes基本MPC控制方案。隨著時(shí)間變化的設(shè)計(jì)參數(shù)，能

9、源價(jià)格，舒適的標(biāo)準(zhǔn)，如以及天氣和占用的預(yù)測是輸入到MPC控制器。人們可以看到，在建模和設(shè)計(jì)努力包括指定建筑物的動(dòng)態(tài)模型，以及作為控制問題和成本函數(shù)的約束條件封裝所需的行為。在每個(gè)采樣間隔，這些部件組合，并轉(zhuǎn)換成一個(gè)優(yōu)化問題取決于所選擇的MPC框架。一個(gè)普通的框架是由以下有限的視距優(yōu)化給定問題：問題1 。分U0 ; . ; uN的1XN ？ 1K表¼ 0lkðxk ; ukÞ成本函數(shù)ð1ÞS： T：X0 ¼倍電流狀態(tài)ð2Þxkþ1 ¼ fðxk ; ukÞ動(dòng)態(tài)ð3&#

10、222;DXK ; ？ ukÞ2Xk屋約束ð4Þwherexk2Rñ是國家，英國2R米為控制輸入， KIS時(shí)間步，值Xk andUk表示約束集的狀態(tài)和投入分別說明如下。我們現(xiàn)在每個(gè)細(xì)節(jié)的四個(gè)組成部分在上述貨幣政策委員會(huì)制定并討論如何它們影響系統(tǒng)和所產(chǎn)生的優(yōu)化問題。請注意，這不是MPC配方全面的概述，而是配方的集合，這是經(jīng)常使用的或合理的樓宇控制領(lǐng)域。對于在MPC的配方更全面的概述，請讀者僅簡稱，例如為 27 。2.1.1 。成本函數(shù)成本函數(shù)一般有兩個(gè)目的：？ Stability.It是共同的選擇成本函數(shù)的結(jié)構(gòu)，使得最優(yōu)成本形成一個(gè)Lyapunov函數(shù)為閉

11、環(huán)系統(tǒng)，因此將保證穩(wěn)定性。在實(shí)踐中，這種要求一般放寬了穩(wěn)定系統(tǒng)的慢動(dòng)力學(xué)，如建筑物，其中葉設(shè)計(jì)師可以自由選擇嚴(yán)格以表現(xiàn)為基準(zhǔn)的成本。？性能target.The成本通常是，但不總是，用指定偏好一行為對另一，例如，最小能量或最大的舒適度。Fig. 1.Basic principle of model predictive control for buildings圖。模型預(yù)測控制建筑物的一，基本原則一般來說，主要的目標(biāo)是盡量減少能源成本的同時(shí)，關(guān)于舒適性的限制，這可以通過下面的代價(jià)函數(shù)被形式化：lkðxk ; ？ ukÞ ¼ DYK年，KÞQK？ DYK歲;

12、 kÞþRkuk ; ð5ÞwhereQkandRkare適當(dāng)大小隨時(shí)間變化的矩陣和年，在蒂梅克kthe參考信號。精度之間的權(quán)衡參考跟蹤和能源消耗是由matricesQkandRk的比例來表示。參考跟蹤可表示為二次形式，因?yàn)樗@著懲罰較大偏差從參考。能源法案通常是一個(gè)仿射函數(shù)總量所消耗的能量。因此，控制成本是加權(quán)線性。函數(shù)式（5 ）不是唯一的成本函數(shù)適用于樓宇控制。有可能是，例如，包括在可表達(dá)BYL的能源法案能源需求高峰處罰1范數(shù)在成本函數(shù)中的控制輸入。詳細(xì)在布拉格建筑中使用的成本函數(shù)給出描述在4.3節(jié)，替代配方見文獻(xiàn) 28 。2.1.2 。當(dāng)前狀態(tài)該系

13、統(tǒng)模型初始化為建筑物的測量/估計(jì)的當(dāng)前狀態(tài)和未來所有的（控制）開始預(yù)測從這個(gè)初始statex 。這取決于建筑物的狀態(tài)被描述，它可能無法直接測量的一切。在這種情況下，卡爾曼濾波器可以用來估計(jì)建設(shè)和估計(jì)的當(dāng)前狀態(tài)作為初始狀態(tài)。2.1.3 。動(dòng)力學(xué)該控制器模型，即的數(shù)學(xué)描述建設(shè)力度MPC控制器的一個(gè)關(guān)鍵部分。為本文介紹的工作，我們把自己限制線性動(dòng)力學(xué)xkþ1 ¼ AxkþBuk ： ð6Þ這是最常用的模型類型和唯一的一個(gè)，這將導(dǎo)致一個(gè)凸面和容易解決的優(yōu)化問題。2.1.4 。約束以指定貨幣政策委員會(huì)制定和約束的能力有優(yōu)化程序處理它們直接是關(guān)鍵實(shí)力MPC

14、方法?？梢源嬖诘募s束狀態(tài)或輸出，以及在輸入。當(dāng)在下面解釋不同形式的約束，我們將做到這一點(diǎn)的輸入唯一的限制條件，但一切都適用于狀態(tài)和輸出的限制alike.Linear constraintsare最常見的一種約束，它是用來放置上限/下限系統(tǒng)變量UMIN ; k6uk 6umax ，K ; ð7Þ或一般表述為Gkuk6gk： ð8Þ約束可以是恒定的，通過物理或邏輯的限制給出。例如，閥不能打開更多的是100 或加熱水的溫度不能超過一些預(yù)定義的水平。該約束可以是也隨時(shí)間變化，例如考慮到不同的在日間和夜間安慰的限制。大體情況下，約束可以是狀態(tài)變量或輸入的函數(shù)在4.

15、3節(jié)中討論。也可以用這個(gè)類的約束逼近任意凸約束的任意程度精度。線性約束也導(dǎo)致在最簡單的優(yōu)化的問題。此外，人們可能想要限制的速率變化，這是由施加以下形式的約束進(jìn)行粥？英國？ 1J 6Dumax3 。造型建筑物的建模需要洞察到這兩個(gè)控制工程，以及為暖通工程。此外，它也是大多數(shù)時(shí)候，要求設(shè)計(jì)的MPC設(shè)置的一部分。兩種方法來建立模型在本節(jié)進(jìn)行了概述。他們兩人都來自所謂的RC模型。其目的是為了讓您了解這些技術(shù)，重點(diǎn)是他們的適用性MPC 。主要用于計(jì)算機(jī)輔助建模工具（例如TRNSYS ， EnergyPlus的， ESP- R等）這里不考慮，因?yàn)樗鼈儗?dǎo)致復(fù)雜的模型不能被容易地用于控制的目的。當(dāng)大量的測量數(shù)

16、據(jù)集的情況下，創(chuàng)造了建筑模型純粹的統(tǒng)計(jì)方法是首選。一大量的系統(tǒng)辨識方法存在（一個(gè)調(diào)查是中列出，如29 ） ，然而，只有少數(shù)人有這樣的能力識別多輸入多輸出（MIMO ）系統(tǒng)，該系統(tǒng)被認(rèn)為是在殼體樓宇控制的。對于鑒定的線性多變量模型，子空間識別方法常常使用 29-31 ，并已被建議用于識別建筑模型中32 ?？商鎿Q地，以統(tǒng)計(jì)的方法，特別是，如果有一個(gè)缺乏數(shù)據(jù)或建筑物理的一些知識的存在，在RC模型可以用于3.1 。遙控模型熱動(dòng)力學(xué)建模的原理可以很容易地通過一個(gè)小例子描述為給定的inFig 。 2 。房間還可以看作是一階系統(tǒng)，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)MPC控制器天氣占用建筑當(dāng)前狀態(tài)時(shí)變參數(shù)設(shè)計(jì)圖。模型預(yù)測控制的

17、建筑物?；驹瓌t。J. iroky “等。 /應(yīng)用能源88 （ 2011） 3079-3087 3081在系統(tǒng)狀態(tài)和這些代表了室溫或溫度在墻壁，地板或天花板上。然后傳熱速率由下式給出dQ的DT¼祺·d E ？ ITH）dQ的D我| Z慈？D我DT¼祺D E ITH ; ？ ð10Þwheretdenotes的時(shí)候， i和 E為亞的溫度nodesi安山巖，分別科斯熱能， andCi表示熱nodei的電容。總傳熱系數(shù)祺是計(jì)算方法1祺¼1淇þ1柯; ð11Þ其中熱傳輸coefficientsKi andKe依賴

18、于材料ofiandeas以及對熱的橫截面面積傳輸。對于每個(gè)節(jié)點(diǎn)，即國家，這樣的微分方程如在方程（ 10）配制。該執(zhí)行器直接輸入到節(jié)點(diǎn)，這意味著它們的輸入被添加。光照和CO2濃度的建模此處不再贅述，為鋼筋混凝土建模的更多細(xì)節(jié)見 28 圖。2.RC建模是基于節(jié)點(diǎn)之間的熱傳輸?shù)拿枋?這是代表溫度。圖中捕獲的例子有兩個(gè)房間 其中，R1和R2are，氣溫在roomR11和R 2分別為0IS 外界溫度，SWI的用于地板的供給水的溫度 加熱，CR1表示空間R1的熱容量。電阻是 代表節(jié)點(diǎn)之間的熱阻。模型參數(shù)（ e.g.Kie奧奇在方程（ 10 ）可以通過兩種方式確定：由施工圖閱讀或者通過統(tǒng)計(jì)估計(jì)，這將在接下來

19、的章節(jié)中描述。3.1.1 。建設(shè)規(guī)劃熱容量，電阻和其他未知參數(shù)從施工方案根據(jù)所使用的材料及其表格的值來確定。所收購的模擬模型，然后需要來驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。如果模型不對應(yīng)于所測量的數(shù)據(jù)，參數(shù)調(diào)整是必要的。3.1.2 。統(tǒng)計(jì)估計(jì)在這種方法中，假定測量被損壞噪聲，因此，該模型是由隨機(jī)部分延伸。由此產(chǎn)生的隨機(jī)微分或差分方程用于估計(jì)與最大似然（ ML）或最大后驗(yàn)（ MAP）的方法，以獲得所需的參數(shù)從所測量的數(shù)據(jù)集。另外，在這種情況下的表式值參數(shù)可以被用作初始猜測，但是，它們并不需要要盡可能精確地在前面的情況中指定的，因?yàn)樗鼈儗⒈桓隆＼浖ぞ邅硖幚斫y(tǒng)計(jì)估計(jì)在 33-35 中描述，例如，其中一些提供功能使

20、用統(tǒng)計(jì)，以證明所產(chǎn)生的模型的有效性假設(shè)檢驗(yàn)。隨著基于統(tǒng)計(jì)估計(jì)的程序是一種特殊的情況下， ML法和能提供一個(gè)快速的方法如何識別連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的離散時(shí)間模型_ xðtÞ ¼ AxðtÞþBuðtÞþwðtÞ從輸入/輸出數(shù)據(jù)，在該全狀態(tài)是已知的（即該系統(tǒng)的狀態(tài)對應(yīng)于系統(tǒng)的輸出） ; A2RN' Ñ， B2RN'米，U （ t）的2R米被認(rèn)為是本控制輸入whilewðtÞ2Rñ？ ND0 ; RTH是過程噪聲。該系統(tǒng)模型可以用下面的統(tǒng)計(jì)識別

21、步驟：第一個(gè)步驟是如上采樣periodTs連續(xù)模型的離散化。離散時(shí)間模型將是然后從識別過程的結(jié)果。廣告¼ ËAT的¼ þ IþATs一22s2þ . ？ IþATsBD ¼特稿0Ë如DSB ？特稿0IDSB ¼在Ts ：所呈現(xiàn)的離散（在這種情況下，最簡單的1 - 零階保持），保留了系統(tǒng)matricesA的結(jié)構(gòu)和B ，從而使離散時(shí)間矩陣中的一個(gè)元素（比如說，阿迪; ）對應(yīng)于連續(xù)時(shí)間矩陣的元素相同的位置（AI ，J ） 。因此，我們就可以很容易地估算離散時(shí)間模型的未知參數(shù)，這將在下面描述。數(shù)據(jù)矩陣識

22、別有以下結(jié)構(gòu)：XkþN¼ DXK ; xkþ1 ; . ; xkþNÞükþN¼ DUK ; ukþ1 ; . ; ukþNÞËkþN¼ DEK ; ekþ1 ; . ; ekþNÞ ;whereekis白色的零均值高斯噪聲近似covarianceT2SR中。參數(shù)喜的系統(tǒng)矩陣內(nèi)的估計(jì)（見公式（13） 。 ）然后可以配制成leastsquares框架如下：Xñ1¼的AdXN-10 þBdUN-10N

23、-10冀廣告波特？XN-10üN-10“ 該N-10vecXñ1¼XN-10üN-10“ 在4 NT！VEC ½廣告波特？ þvecEN-10;其中（VEC ）是一種矩陣的矢量和（ ？ ）是克羅內(nèi)克兩個(gè)矩陣乘積。在這個(gè)等式的結(jié)構(gòu)，我們可以添加額外的線路進(jìn)入回歸矩陣以及用于matricesAandBto結(jié)構(gòu)的左手側(cè)向量被保留。然后，未知參數(shù)均采用加權(quán)l(xiāng)eastsquares與行更高的權(quán)重與約束估計(jì)矩陣結(jié)構(gòu)。4 。案例研究適用于所提出的MPC方案ofProblem 1was捷克技術(shù)大學(xué)（ CTU）的建筑采暖系統(tǒng)在布拉格，見圖。 3 。 M

24、PC是從2010年1月申請有并且是在業(yè)務(wù)，直到采暖季在三月中旬結(jié)束20104.1 。建筑物的描述如可以看到的fromFig 。 3，職工盟建筑由四個(gè)五層樓的大廈，三座八塊地板和四級中介部分各塊之間。所有的塊具有圖。 2.RC建模是基于節(jié)點(diǎn)之間的熱傳輸?shù)拿枋鲞@是代表溫度。圖中捕獲的例子有兩個(gè)房間其中， R1和R2are ，氣溫在roomR1 1和R 2分別為 0IS外界溫度， SWI的用于地板的供給水的溫度加熱，CR1表示空間R1的熱容量。電阻是代表節(jié)點(diǎn)之間的熱阻。3082 J. iroky “等。 /應(yīng)用能源88 （ 2011） 3079-3087相同的結(jié)構(gòu)和使用方法。這為我們提供了獨(dú)特的機(jī)會(huì)

25、來比較不同的控制技術(shù)相同的天氣條件下，因?yàn)槲覀兛梢栽诓煌膲K在同一時(shí)間使用不同的控制器。的南部建筑是絕緣的，兩年前，因此，我們可以這取決于絕緣水平評估MPC的有效性為好。職工盟建筑使用Crittall 36 型吊頂輻射采暖和冷卻系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，在加熱（或冷卻）光束被嵌入到混凝土天花板，使利用的建筑物的熱容量。加熱系統(tǒng)方案一個(gè)構(gòu)建塊被描繪inFig 。 4 。的供給水的所需溫度是通過從熱混合熱水實(shí)現(xiàn)與回水器在三點(diǎn)閥。這三個(gè)點(diǎn)閥由它維護(hù)的供給水的溫度在通過高級別控制器確定的設(shè)定值低級別的控制器操作。在情況下，職工盟的建設(shè)， PID控制器是作為一個(gè)低級別的控制器。對于每個(gè)加熱電路，有一個(gè)參考室溫

26、測量。加熱系統(tǒng)的詳細(xì)描述中給出 37圖。職工盟在布拉格3。建設(shè)4.2. Modeling of the building blockWe consider a building with two heating circuits and two reference rooms, each related to one circuit as depicted above. The differential equations describing the system are as follows:_ #n¼1CrRwð#n#oÞþ1CrRrð#

27、n#sÞþ1CrRrwrð#n#rwnÞ_ #s ¼1CrRwð#s #oÞþ1CrRrð#s #nÞþ1CrRrwrð#s #rwsÞ_ #rwn ¼1CrwRrwrð#rwn #nÞþ1CrwRrwð#rwn #swnÞ_ #rws ¼1CrwRrwrð#rws #sÞþ1CrwRrwð#rws #swsÞð12ÞThe m

28、eaning of the variables and coefficients is explained inTable1.Considering the system state asxT=#s#rws#n#rwnTand the input vector asuT=#o#sws#swnT, the state-space model can be formulated in the following way:_ x¼1CrRw1CrRr 1CrRrwr1CrRrwr1CrRr01CrwRrwr 1CrwRrw 1CrwRrwr00 1CrRr0 1CrRw1CrRr 1CrR

29、rwr1CrRrwr001CrwRrwr 1CrwRrwr 1CrRrw264375xþ1CrRw0001CrwRz01CrRw0000 1CrwRz264375u:ð13ÞFinally, the parameters of this predefined system structure are estimated according to the procedure described in Section3.1whereas,in this case, the discrete-time system matrices have the following

30、structure:Table 1Notation of the variables and coefficients used in the equations describing a buildingblock.Notation DescriptionRw Outside wall heat resistanceRrwr Return water-to-room transition resistanceRr Room-to-room transition resistanceRrw Return water resistanceCrw Thermal capacity of retur

31、n waterCr Thermal capacity of room#o Outside temperature (from weather forecast)#n Reference room temperature north side#s Reference room temperature south side#rwn Return water temperature north side#rws Return water temperature south side#swn Supply water temperature north side#sws Supply water te

32、mperature south side圖。吊頂輻射采暖系統(tǒng)的4.Simplified方案辨識模型的驗(yàn)證工作由開環(huán)仿真與收集驗(yàn)證數(shù)據(jù)集比較2009年圣誕節(jié)期間（ seeFig. 5 ） 。所提出的識別方法的優(yōu)點(diǎn)可以很好的確定應(yīng)趨勢尤其體現(xiàn)升溫和降溫。4.3 。控制器的說明4.3.1 ?？刂颇繕?biāo)有幾個(gè)要求得到滿足：4.3.1.1 。舒適度requirements.The參考trajectoryyr ， K，房溫度對我們來說，是已知的，作為一個(gè)時(shí)間表。主要優(yōu)點(diǎn)MPC的是計(jì)算輸出和預(yù)先對應(yīng)的輸入信號的能力，即，它能夠避免突然變化的控制信號，并在系統(tǒng)響應(yīng)延遲不希望的效應(yīng)。調(diào)度定義的室溫2最低水平 -

33、白天，所要求的溫度是22 ，而以？晚上和周末有挫折，以19 ？ C。一種解決方案如何應(yīng)對最低溫度的要求是使用引用跟蹤與動(dòng)態(tài)成本，這是難調(diào)，做不延長超過兩個(gè)最小的可能性提供溫度水平 16 。另一個(gè)解決方案是使用它作為一個(gè)約束。這可能導(dǎo)致不可行問題在一些情況。此外，還有在擬議的舒適度標(biāo)準(zhǔn)的公差和因此，它可以是有用的輕微違反舒適性的要求如果它導(dǎo)致相當(dāng)大的節(jié)能減排。因此，我們建議另一種MPC問題公式化 - 以下排量參考軌跡被處罰的標(biāo)準(zhǔn)。注意，在2 - 范數(shù)用于進(jìn)行跟蹤誤差的加權(quán) - 更多精確的性能。4.3.1.2 。最小化能量consumption.As的回報(bào)水流通的加熱系統(tǒng)（ seeFig. 4）

34、，能量通過加熱式建筑物的消耗是線性相關(guān)的加熱 SW和回報(bào)之間的正差進(jìn)入/退出的三端口閥門在水 RW溫度圖。 4 。因此， 1 - 范數(shù)的加權(quán)輸入要被最小化。4.3.2 。 MPC問題制定首先，給定的系統(tǒng)從Section4.2is分區(qū)為如下：xkþ1 ¼ AxkþBukYK ¼ CxkþDukZK ¼ VxkþWuk ;whereykstands與參考信號（例如中，k）的輸出，而ZK代表投入產(chǎn)出的差異 - 在我們的例子ZK = SW ，K ？ RW ，K 。的要求（見Section4.3.1 ）為的加權(quán)特殊變量，可以進(jìn)行通過添

35、加松弛變量akandbkwhich是同一維度asykandzk的分別。將所得的優(yōu)化問題可以表示為如下： ¼分鐘AK; BK;英國XN ？ 1K表¼ 0一QakþRbk年，K YK AK 60 ; ？ AK P0ZK BK60 ; ？ BK P0umin6uk6umax粥？英國？ 1J 6Dumaxð14ÞYK ¼ CAx0þ磷，鉀？ 1我¼ 0CAK·我？ 1裴þDukZK ¼ VAx0þ磷，鉀？ 1我¼ 0VAK·我？ 1裴þWuk ：Qand

36、Rstand為適當(dāng)維數(shù)的加權(quán)矩陣。加權(quán)矩陣是恒定的，因?yàn)橛幸粋€(gè)扁平率能量和最小室溫定義byyr ，卡斯是維持在整個(gè)一天同樣的重要性。每積木需要不同量的能量以維持同樣的舒適，因此權(quán)重的比例matricesQandRhad是調(diào)諧式對每個(gè)塊分別。供熱系統(tǒng)的物理限制是由常量UMIN表示，umaxandDumax 。加熱水溫UMIN下限設(shè)定為20 C，供熱水temperatureumax上限設(shè)置在55攝氏度和在輸入信號的最大變化率Dumaxthat防止供熱系統(tǒng)的熱沖擊被設(shè)置為20 ？ C/20分鐘。的供給水的溫度由控制三點(diǎn)閥。因此，下限值uminis不，事實(shí)上，一個(gè)恒定值，但是它被給定為最低的回水溫度和

37、熱水從熱交換器。然而，這可以是被忽視的，因?yàn)閯傁碌氖孢m度限值保持和傳遞溫暖的水供給比預(yù)計(jì)不會(huì)導(dǎo)致舒適性標(biāo)準(zhǔn)沖突。方程（14 ）可以很容易地改寫成二次規(guī)劃（QP）問題，并使用標(biāo)準(zhǔn)的QP求解器解決。選擇為兩日（系統(tǒng)的預(yù)測horizonNwas被采樣的20分鐘， IEN = 144）一個(gè)采樣周期的是天氣預(yù)測的準(zhǔn)確性和一之間的折衷足夠長度的預(yù)測地平線。圖。對驗(yàn)證數(shù)據(jù)集模型的響應(yīng)5.Validation圖。6.Heating曲線和MPC的能源需求曲線。4.4 。技術(shù)安裝說明該建筑是由RcWare操作2BAS系統(tǒng)。該RcWare系統(tǒng)從幾個(gè)天氣預(yù)報(bào)服務(wù)器提供數(shù)據(jù)。在情況下，職工盟的建設(shè)，氣象預(yù)報(bào)由國家海洋之

38、和大氣管理局3被使用。貨幣政策委員會(huì)是在Scilab4實(shí)施。優(yōu)化問題被解決了手段的Scilab的內(nèi)部線性二次規(guī)劃求解。計(jì)算時(shí)間為平均21 s的英特爾酷睿2 Duo處理器的PC上2.5 GHz的。設(shè)定點(diǎn)供水溫度是周期性通過下面的順序計(jì)算1 。檢索當(dāng)前狀態(tài) SWN， SWS， RWN， RWS， N， 從BAS s2 。產(chǎn)生基準(zhǔn)室溫年， K， K20 ， . ， N-1根據(jù)BAS設(shè)置3 。下載天氣預(yù)報(bào) O，K ， K20 ， . ， N-14 。在執(zhí)行貨幣政策委員會(huì)的Scilab腳本5 。申請新的設(shè)定值 SWN， SWS到BAS因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)之間的溝通和互動(dòng)不同的環(huán)境中，有必要來處理潛在的故障。在這種情

39、況下， BAS切換到備份策略的基礎(chǔ)上加熱曲線和發(fā)送短信給運(yùn)營商。4.5 。調(diào)查設(shè)置評估節(jié)約能源通過不同的控制來實(shí)現(xiàn)的戰(zhàn)略是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)。天氣條件的變化所有的時(shí)間，以及該建筑物的數(shù)目和行為居住者。結(jié)果單比較受這些干擾的影響，因此，兩個(gè)獨(dú)立的真正的比較建筑實(shí)驗(yàn)將提交。記作交叉比對的第一個(gè)比較使用的幾乎類似的建筑blocksB1andB25。交叉比較有兩個(gè)階段，每個(gè)階段持續(xù)了一個(gè)星期。在第一周， blockB1was通過加熱曲線和blockB2by MPC控制。其他的一周，控制策略進(jìn)行了切換。十字架的優(yōu)勢比較是大多數(shù)騷亂的賠償，因?yàn)閮蓚€(gè)積木都暴露于相同的天氣條件。第二比較是基于所謂的利用采暖度日數(shù)

40、（ HDD）的建筑物的正?；芰肯?。硬盤驅(qū)動(dòng)器是設(shè)計(jì)來反映加熱建筑物所需的能源需求的定量指標(biāo)。有HDD計(jì)算的幾種方法。在本文中，外溫度是從所要求的室溫中減去并且這個(gè)數(shù)字在總結(jié)分析的時(shí)間段硬盤¼的XTendK表¼ Tbegin年，K O ; ·K ; ð15ÞwhereTbegin ， Tenddenote開頭和測量的端期間，分別。該方法是不準(zhǔn)確的，尤其是當(dāng)外面的天氣條件有極大的不同。為了盡量減少不同天氣條件下的時(shí)間段的負(fù)效應(yīng)相似的平均室外溫度被選定為比較。因?yàn)榧訜崴髁渴呛愣ǖ模瑒t供水溫度和回水之間差之和溫度可以作為能量消耗的措施（記asEC

41、M ）ECM ¼的XTendK表¼ TbeginD SWS ; K RWS ; kÞþð SWN ; K RWN ; KTH ： ？ ð16Þ4.6 。結(jié)果從真正落實(shí)該Crittall供熱系統(tǒng)利用建設(shè)質(zhì)量作為儲(chǔ)熱。當(dāng)建筑物被加熱曲線操作，混凝土施工在夜間預(yù)熱和加熱系統(tǒng)是在早晨關(guān)閉。戰(zhàn)略由貨幣政策委員會(huì)意識到是不同的; MPC的預(yù)熱混凝土主要是在晚上，但期間沒有關(guān)掉加熱天。 MPC策略的有益的副作用是一個(gè)顯著能量峰值減少可以看出atFig 。 6 。的能量的目的峰值降低并沒有明確表示在這個(gè)問題提法，這是優(yōu)化過程中只是一個(gè)結(jié)果。交叉比較，結(jié)果總結(jié)于表2中。根據(jù)這種比較， MPC在兩個(gè)星期儲(chǔ)存能量的約16。從硬盤驅(qū)動(dòng)器為基礎(chǔ)