基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的房間空調(diào)器控制系統(tǒng)

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的房間空調(diào)器控制系統(tǒng)摘要：以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，綜合考慮影響室內(nèi)人員熱舒適的多種重要環(huán)境因素，建立了房間空調(diào)器控制系統(tǒng)。介紹了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制原理。該控制系統(tǒng)將比單純以溫度為控制參數(shù)的傳統(tǒng)控制方法更能滿足室內(nèi)人員的舒適性和健康性要求，可達(dá)到創(chuàng)造良好舒適的室內(nèi)環(huán)境的目的。關(guān)鍵字：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)房間空調(diào)器控制系統(tǒng)熱舒適0前言通常中小型空間內(nèi)的熱環(huán)境由房間空調(diào)器來調(diào)節(jié)。房間空調(diào)器可用的調(diào)節(jié)手段一般有電子膨脹閥的控制、制冷壓縮機(jī)的變頻調(diào)節(jié)和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制[1]。一套好的房間空調(diào)器應(yīng)能通過這些可用的調(diào)節(jié)手段來調(diào)節(jié)影響室內(nèi)環(huán)境的眾多因素，在達(dá)到使室內(nèi)人員熱舒適的同時，又能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能的目的。然而，目前房間空調(diào)器單純以溫度為控制參數(shù)，忽略了其它幾個影響室內(nèi)環(huán)境的重要因素[2]；另外因?yàn)榭照{(diào)系統(tǒng)的控制對象的隨機(jī)、時變、時滯、和非線性特征比較明顯，傳統(tǒng)的控制方法如PID控制，對控制參數(shù)不易實(shí)現(xiàn)在線調(diào)節(jié)，自動調(diào)節(jié)能力較差。如果引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論可很好地解決上述問題[3]。因此，本文基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了房間空調(diào)器控制系統(tǒng)。1房間空調(diào)器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)本文設(shè)計的房間空調(diào)器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)如圖1所示。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性映射能力，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器期望能夠通過四個環(huán)境參數(shù)量，直接得出三個控制量的值。用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的實(shí)際輸出與訓(xùn)練部分的輸出之間的誤差對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，網(wǎng)絡(luò)通過學(xué)習(xí)后能直接反映環(huán)境參數(shù)與控制量之間的映射關(guān)系。圖1房間空調(diào)器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器訓(xùn)練好之后，整個網(wǎng)絡(luò)的控制就相當(dāng)于一種開環(huán)控制，而且沒有誤差，能夠比其他控制方法有更好的效果。1.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)熱舒適評判模型[4]神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)熱舒適評判模型既充分考慮了環(huán)境影響因素，又完全適用于每一個個體的熱舒適感覺，因此將其作為房間空調(diào)器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)訓(xùn)練部分的核心。該評判模型的輸入?yún)?shù)選為4個，即空氣溫度、空氣濕度、空氣流動速度和壁面平均輻射溫度。該評判模型的輸出參數(shù)取為1個，用來表征室內(nèi)的熱舒適程度，該參數(shù)能達(dá)到3種不同的值：0，0.5和1。其中0.5表示舒適，0表示偏冷，1表示偏暖。這里沒有根據(jù)P.O.Fanger對人體熱感覺7個級別的劃分，是因?yàn)檫@里期望建立的是一個適合于任何個體的熱舒適范圍的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評判模型，而且就單個個體來說，他也沒必要分清楚到底是涼還是稍涼，暖還是稍暖。所以，這里將評價集定為3個元素。當(dāng)然，實(shí)際BP網(wǎng)絡(luò)輸出只能接近這3數(shù)值，故需要神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在通過對樣本的學(xué)習(xí)后，能夠輸出規(guī)定誤差范圍以內(nèi)的值。例如，輸出0.99表示系統(tǒng)評判該環(huán)境為偏暖，輸出0.51表示系統(tǒng)評判該環(huán)境為舒適。由模型的輸出參數(shù)（1個）和輸入?yún)?shù)（4個），選定隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)為5個。該模型如圖2所示。圖2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)熱舒適評判模型1.2以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)熱舒適評判模型為核心的訓(xùn)練部分圖1中的訓(xùn)練部分（TrainingPart）直接向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器（NNController）提供控制參數(shù)，其給出的控制參數(shù)的好壞將很大程度上決定室內(nèi)環(huán)境的熱舒適程度。因此，該訓(xùn)練部分以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)熱舒適評判模型為核心，讓其根據(jù)四個環(huán)境參數(shù)（空氣溫度、空氣濕度、空氣流動速度和壁面平均輻射溫度）和室內(nèi)人員的主觀感覺，對室內(nèi)人員的舒適區(qū)域進(jìn)行學(xué)習(xí)，再以得出的室內(nèi)人員的舒適區(qū)域?yàn)榭刂埔罁?jù)，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能控制模塊來調(diào)節(jié)影響室內(nèi)居住環(huán)境的四個環(huán)境參數(shù)。這樣，室內(nèi)空調(diào)環(huán)境將很好地滿足個人熱舒適要求，可稱之為“個性化空調(diào)”。圖3為該訓(xùn)練部分的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。通過傳感器測得四個環(huán)境參數(shù)，輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)熱舒適評判模塊中，模塊的輸出值表示模塊判斷得出的舒適程度，其值在0～1之間。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程中，賦予這個輸出值以實(shí)際的意義，“0.5”表示舒適，“0＋”表示偏冷，“1－”表示偏暖，其中為模塊設(shè)定誤差。該模塊輸出值與空調(diào)器預(yù)先設(shè)定值0.5比較，得到偏差1。信號1為室內(nèi)人員的實(shí)際舒適狀況，即房間“主人”的輸入?？稍趥€性化空調(diào)的用戶遙控器上另設(shè)“舒適”、“偏熱”和“偏冷”三個鍵，用戶只需選擇其對房間空調(diào)環(huán)境的感覺是“舒適”、“偏熱”、還是“偏冷”即可，而不必考慮具體怎樣調(diào)節(jié)各個參數(shù)。信號1相應(yīng)地只有三個值：0、0.5和1，分別代表偏冷，舒適和偏熱。信號1與給定值0.5之間的差值為偏差2。偏差1與偏差2輸入到舒適選擇器里，該器件實(shí)現(xiàn)一種類試觸發(fā)器的功能：在室內(nèi)人員沒有給出信號1的時候，即在沒有偏差2的時候，它的輸出等于偏差1，這種情況應(yīng)該占大多數(shù)時間，因?yàn)榇蠖鄶?shù)時間舒適狀況應(yīng)該由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)熱舒適評判模塊來判斷。然而在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)沒有完全學(xué)習(xí)到“主人”的熱舒適區(qū)域或“主人”的舒適區(qū)域有波動的時候，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)熱舒適評判模塊的輸出與“主人”的實(shí)際感覺可能有誤差，這時候系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)結(jié)果并不能代表“主人”的主觀意愿，那么他只需通過遙控板輸入信號1，此時舒適選擇器的輸出等于偏差2，偏差1不起作用。室內(nèi)人員輸入信號1時，信號1的值與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)熱舒適評判模塊輸出值之間的差值為偏差3，偏差3返回到熱舒適評判模塊中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)做權(quán)值修正，進(jìn)行自學(xué)習(xí)，以使其能夠更好地判斷“主人”的舒適區(qū)。譽(yù)傳感器傳目來的四個劫關(guān)于環(huán)境售參數(shù)的信廈號輸入到魔一個寄存格器中。該忠寄存器的斑目的是寄備存最近一掛次滿足室浪內(nèi)人員舒膝適感覺的疾環(huán)境信號鈔，因此寄僚存指令由倚舒適選擇餡器的輸出宇值給出。飯當(dāng)這個輸領(lǐng)出值表周示練“綢舒含適奏”資時，寄存拾器就存下伸該時刻的逼四個環(huán)境須信號，并戒輸出到輸玻出端。豪四個關(guān)于赤環(huán)境參數(shù)賀的信號同湯時與寄存僚器的輸出洋相減，得蹦到四個偏宵差信號（始偏螺差釣4抖－斬7章），然后保輸入到神戀經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智麗能控制模麥塊中。這秀四個偏差永值分別表蕉示當(dāng)前四訊個環(huán)境參掀數(shù)與最近陡一次令室臣內(nèi)人員舒甘適的四個白環(huán)境參數(shù)日之間的差辣。這里之宅所以不直線接用四個朽環(huán)境參數(shù)民測量值作罰為輸入，肯而用它們渾與最近一誦次舒適狀烤態(tài)的環(huán)境競參數(shù)值之藍(lán)差，是為滔了考慮個天體的差異奴因素，并插簡化控制葵。因?yàn)槿顼椆苯佑门膫€環(huán)境碼參數(shù)測量臉值作為輸嘆入的話，陡對于每套雅空調(diào)器，抬都需要以員其用戶的筒舒適狀況間為依據(jù)來密設(shè)計控制漢原則，而灣用差值的載話，只需店要根據(jù)偏醬差的大小堆來設(shè)定控室制原則，蛋這是可以吊統(tǒng)一制定透的。沸最后，神貫經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智哨能控制模暫塊根據(jù)傳厲感器傳來下的偏差信叨號，采用勞合適的控你制算法，鈔得出合適吼的壓縮機(jī)菠頻率、電肉子膨脹閥呢的開度與呼風(fēng)機(jī)風(fēng)速好，并對其成進(jìn)行調(diào)節(jié)抬。列1.3秘氣智能控制聚模塊航壓縮機(jī)的膊頻率是由飲空氣溫度臣偏差、空李氣溫度偏駛差變化率洋、濕度偏哥差、風(fēng)速祝偏差、平傍均輻射溫茶度偏差和就舒適感覺倘這六個參更數(shù)輸入到押神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)態(tài)中得到的梳網(wǎng)絡(luò)輸出澇值。需要蜂說明的是鴨，空氣溫榨度偏差、掛濕度偏差串、風(fēng)速偏論差和平均拔輻射溫度亦偏差為當(dāng)競前空氣溫聯(lián)度、濕度適、風(fēng)速和瘦平均輻射戲溫度這四速個環(huán)境參承數(shù)值與最溪近一次室灰內(nèi)人員舒鎮(zhèn)適狀態(tài)的獻(xiàn)環(huán)境參數(shù)炭值之差。鋪空氣溫度咱偏差變化暗率定義為隙一個采樣計間隔內(nèi)空薄氣溫度偏俯差的差值沖，風(fēng)速和輕風(fēng)速偏差蹲指的也不翠是風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)貞速或者空怒調(diào)出風(fēng)口化處風(fēng)速，條而是室內(nèi)緒人員處的挺風(fēng)速，由繩風(fēng)速傳感微器測得。甩六個輸入專參數(shù)輸入潮到神經(jīng)網(wǎng)苦絡(luò)中，神鋸經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸網(wǎng)出壓縮機(jī)梯頻率值；平這里的神稀經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可設(shè)以采用一皂個三層前佩饋網(wǎng)絡(luò)，筐各層間采坦用榴S忙型激活函縮數(shù)。神經(jīng)扶網(wǎng)絡(luò)的希連望輸出一謹(jǐn)般由人工脹調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)受和實(shí)驗(yàn)法奪來確定，慮根據(jù)希望棄輸出與神溪經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的離實(shí)際輸出將的偏差來硬修正權(quán)值朱。實(shí)際應(yīng)恩用中的這島部分神經(jīng)膀網(wǎng)絡(luò)不需值要具有在船線學(xué)習(xí)功姓能，預(yù)先鵲用一個能沉夠模擬神虎經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自舟學(xué)習(xí)的仿燒真器來確健定網(wǎng)絡(luò)的寒權(quán)值，權(quán)掏值確定后析就無需再宮改變了。姨風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)鑄速大小由炎運(yùn)算法狠則剝1奇確定，運(yùn)貞算法管則渠1求綜合考慮棟壓縮機(jī)頻退率、舒適望感覺和風(fēng)伸速偏差，鴿這樣不但沉能使風(fēng)量嬸與壓縮機(jī)棗功率匹配葉，而且能闊使風(fēng)速滿傭足室內(nèi)人悟員的舒適膜感覺。果電子膨脹旅閥的開度送一般根據(jù)圣過熱度偏失差和過熱車度偏差變傳化率來決強(qiáng)定，在運(yùn)樓算法命則膨2足中加入壓柏縮機(jī)頻率沒和舒適感奶覺的因素脆同樣是為橡了達(dá)到制飛冷劑流量鐘和壓縮機(jī)奧功率匹配甜，以及室棗內(nèi)人員熱泳舒適的要勺求。2結(jié)論品以神經(jīng)網(wǎng)頸絡(luò)理論為增基礎(chǔ)，綜順合考慮影散響室內(nèi)人合員熱舒適玻的各種環(huán)永境因素，雞建立的房啦間空調(diào)器喂的控制系慢統(tǒng)，將比翁單純以溫望度為控制視參數(shù)的傳吼統(tǒng)控制方汁法更能滿擴(kuò)足室內(nèi)人蘿員的舒適狡性和健康譯性要求，鞠可達(dá)到創(chuàng)斷造良好舒卻適的室內(nèi)飄環(huán)境的目寒的。參考文獻(xiàn)腳1劣陳芝久莖等桌.晃茂制冷裝置顏?zhàn)詣友曰?碰愚北蹈京搭,哪封機(jī)械工業(yè)第出版?zhèn)缮缥?19猾97具2PO擋Fan捎ger.游The葡rmal事comf參ort恨右—謊Ana慘lysi涉san趁dap讀plic淚atio抹nin喬env眨iron很ment燃alen狀gine胡erin刊g.C污open弄hage宗n,D銹anis金hTe芳