空調(diào)系統(tǒng)容錯控制及其能耗評估方法研究

實際空調(diào)系統(tǒng)常常由于存在各種傳感器的故障而導致能耗浪費、熱舒適性下降等問題。目前已有的故障診斷方法對多故障并存的問題往往存在診斷效率低、準確性差，因而難以實現(xiàn)真正的容錯、高效的控制，進而影響到系統(tǒng)的用能效率。本研究從空調(diào)系統(tǒng)的共性出發(fā)，研究空調(diào)系統(tǒng)的故障特征，探索基于能耗評估的多故障診斷及容錯控制方法。研究主要獲得了三方面的進展：第一，提出了基于半實物混合仿真的研究方法，搭建了半實物混合仿真實驗臺，并驗證了該方法用于故障診斷與容錯控制研究的有效性與可行性。采用半實物混合仿真的研究方法開展空調(diào)系統(tǒng)控制與診斷的研究工作具有真實、簡便、高效的特點，在國內(nèi)外的研究中鮮有先例。第二，基于混合仿真實驗臺，提出基于分形維數(shù)、統(tǒng)計殘差與分形維數(shù)相結(jié)合的空調(diào)系統(tǒng)傳感器故障診斷方法，并將其應用于空調(diào)系統(tǒng)單故障和多故障的傳感器故障診斷當中；研究結(jié)果表明該方法具有較好的檢測效率與診斷能力。最后，提出了基于能耗評估的空調(diào)系統(tǒng)容錯控制方法，開發(fā)了基于ELECTRE的能耗評估方法，用于空調(diào)系統(tǒng)運行性能評價，開展了基于空調(diào)系統(tǒng)運行性能優(yōu)化的在線容錯控制。本研究提出的基于能耗評估的容錯控制是建筑空調(diào)故障診斷領域一個新穎的思路，且具有重要的應用價值，在國內(nèi)外的相關研究中尚屬首次。相關的研究成果較好的解決了空調(diào)系統(tǒng)的傳感器故障檢測與診斷問題，涉及到了系統(tǒng)容錯控制的前沿領域與難點問題，并給出了合理、可行的解決方案，研究結(jié)果豐富并拓展了本領域的研究內(nèi)容。已發(fā)表了6篇SCI國際期刊論文（期刊多為本行業(yè)頂級學術(shù)刊物），2篇EI論文，參加了2次國際會議（其中一次國際制冷大會為本行業(yè)頂級學術(shù)會議）、3次國內(nèi)學術(shù)會議，本項目的相關研究成果引起了國內(nèi)外同行的高度關注。 2100433B

空調(diào)系統(tǒng)傳感器的故障，特別是對系統(tǒng)能耗影響起關鍵作用參數(shù)的測量傳感器的偏差故障較難發(fā)現(xiàn)，它們經(jīng)常會導致能耗浪費。而現(xiàn)有診斷方法對多個軟故障并存問題的診斷效率較低，而且準確度很差，難以實現(xiàn)真正的容錯控制。本研究試圖利用一般空調(diào)系統(tǒng)的共有特征，建立一種實用且通用的、以能耗評估為基礎的的故障診斷和容錯方法。從探索空調(diào)系統(tǒng)故障在物理過程、相互關系和控制過程三方面的機理著手，首先對空調(diào)系統(tǒng)多故障并存的問題予以有效解耦，并對系統(tǒng)參數(shù)的相關性關聯(lián)進行信息的融合與挖掘，通過參數(shù)特征的識別完成多故障并存時的逐一診斷。然后，建立各控制參數(shù)的能耗評價因子（方程），最后，基于能耗評估，建立有效的容錯控制機制與方法。

對空調(diào)系統(tǒng)實施容錯控制是為了排除故障、提高運行效率，而運行效率是否提高、提高多少，取決于診斷的能力和容錯的效果。如何定量評價空調(diào)系統(tǒng)的容錯效果？目前仍未見相關報道。本研究從用能效率的角度，探索空調(diào)系統(tǒng)容錯效果的定量評價機制，并研究針對異常能耗的快速檢測邏輯、多故障耦合的診斷及容錯方法。首先繪制空調(diào)系統(tǒng)的能耗圖譜，提取能耗與關鍵參數(shù)的關聯(lián)特征。采用小波對能耗向量解耦，通過對能耗的高、低頻特征進行空間多維標度分析來檢測故障。建立了上位級-下位級聯(lián)合的多故障解耦與診斷模型。對控制失效問題，確定了以相關參數(shù)組作為替補被控變量、人工神經(jīng)網(wǎng)絡作為輔助控制方法的容錯方案。最后，提出容錯效率的概念，定義了基準能耗與控制目標，建立了以熱舒適性（控制目標）為約束、能耗為指標的容錯效率評估模型。本研究將豐富空調(diào)故障診斷的研究內(nèi)容，為空調(diào)容錯評價的行業(yè)標準制定提供參考，實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)高效運行與節(jié)能。

按照項目計劃書的研究計劃，本項目主要開展了以下幾方面的研究工作： 1） 2011年度：對實際中央空調(diào)系統(tǒng)進行了調(diào)研，特別是針對其核心環(huán)節(jié)（冷水機組和空調(diào)箱）的運行、控制、故障及能耗狀況進行了調(diào)研，為理論研究提供依據(jù)。結(jié)合調(diào)研情況，一方面以傳感器、控制器和執(zhí)行器為研究對象，對此類研究對象發(fā)生故障（稱為軟故障）后對空調(diào)系統(tǒng)的影響進行分析，另一方面，對系統(tǒng)及設備的硬故障及其與前述軟故障耦合對系統(tǒng)運行與能耗的影響進行了理論分析。在此基礎上，對空調(diào)系統(tǒng)軟硬故障的控制特性進行了研究。 2） 2012年度：針對空調(diào)系統(tǒng)難以完全真實模擬的特性，提出了虛擬建筑結(jié)合實物控制系統(tǒng)的研究思想。搭建了建筑空調(diào)系統(tǒng)半實物混合仿真實驗臺，完成了實驗臺的軟硬件測試及系統(tǒng)整體調(diào)試等工作。該實驗平臺可支持研究計劃中涉及的軟故障及部分硬故障的研究。提出了帶小波分析與分形預處理的神經(jīng)網(wǎng)絡故障檢測方法、基于聚類與灰箱模型的故障檢測方法及基于雙神經(jīng)網(wǎng)絡的故障檢測方法等。 3） 2013年度：結(jié)合上年度提出的研究方法及理論，研究了空調(diào)系統(tǒng)故障檢測與診斷方法，開展了空調(diào)系統(tǒng)的容錯效率研究。首先，提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡及聚類分析的故障檢測與診斷方法，并將其應用于空調(diào)系統(tǒng)多種故障的測試中，效果良好。然后，提出了空調(diào)系統(tǒng)幾個重要的容錯效率指標，針對漏報警率、誤報警率以及檢測時間進行了研究與驗證。 通過三年的研究工作，建立了半實物仿真實驗臺，發(fā)展了基于故障特性的故障檢測與診斷方法，評價了不同故障下的診斷及容錯效率。從而形成了一套完整的空調(diào)系統(tǒng)故障檢測、診斷、容錯控制與性能評價的方法。 本項目通過三年的研究工作，已完成項目計劃內(nèi)容，基本達到了項目研究目的。在上面介紹的工作基礎上，目前已發(fā)表SCI國際期刊論文6篇，EI中文論文2篇，參加國際會議2次、國內(nèi)會議3次，研究成果得到國內(nèi)外同行的高度關注。 2100433B

變風量空調(diào)系統(tǒng)故障引起的能源浪費、熱舒適性降低和室內(nèi)空氣品質(zhì)下降等問題日益嚴重。針對變風量空調(diào)系統(tǒng)故障，本項目研究變風量空調(diào)系統(tǒng)故障診斷及容錯控制方法。在研究故障檢測方法時，考慮數(shù)據(jù)自相關性、噪聲、系統(tǒng)動態(tài)性和瞬變過程等因素的不利影響，研究適用于實際系統(tǒng)的變風量空調(diào)系統(tǒng)魯棒故障檢測方法，著重于提高故障檢測結(jié)果的準確性和可靠性。針對故障診斷的關鍵問題及難點：一個故障征兆可能存在多種潛在的故障原因，綜合運用因果分析圖、系統(tǒng)分析、主動式故障診斷技術(shù)和專家規(guī)則等方法，研究適用于實際系統(tǒng)的基于規(guī)則的變風量空調(diào)系統(tǒng)主動式故障診斷方法。在研究在線容錯控制方法時，考慮變風量空調(diào)系統(tǒng)的非線性特點，研究傳感器故障測量數(shù)據(jù)在線恢復方法，并開發(fā)適用于實際系統(tǒng)的變風量空調(diào)系統(tǒng)軟故障自糾正方法。本項目將為開發(fā)變風量空調(diào)系統(tǒng)故障診斷及容錯控制系統(tǒng)提供理論依據(jù)和技術(shù)指導。