空調(diào)系統(tǒng)容錯(cuò)控制及其能耗評(píng)估方法研究項(xiàng)目摘要

空調(diào)系統(tǒng)傳感器的故障，特別是對(duì)系統(tǒng)能耗影響起關(guān)鍵作用參數(shù)的測(cè)量傳感器的偏差故障較難發(fā)現(xiàn)，它們經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致能耗浪費(fèi)。而現(xiàn)有診斷方法對(duì)多個(gè)軟故障并存問(wèn)題的診斷效率較低，而且準(zhǔn)確度很差，難以實(shí)現(xiàn)真正的容錯(cuò)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(shí)用且通用的、以能耗評(píng)估為基礎(chǔ)的的故障診斷和容錯(cuò)方法。從探索空調(diào)系統(tǒng)故障在物理過(guò)程、相互關(guān)系和控制過(guò)程三方面的機(jī)理著手，首先對(duì)空調(diào)系統(tǒng)多故障并存的問(wèn)題予以有效解耦，并對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的相關(guān)性關(guān)聯(lián)進(jìn)行信息的融合與挖掘，通過(guò)參數(shù)特征的識(shí)別完成多故障并存時(shí)的逐一診斷。然后，建立各控制參數(shù)的能耗評(píng)價(jià)因子（方程），最后，基于能耗評(píng)估，建立有效的容錯(cuò)控制機(jī)制與方法。

實(shí)際空調(diào)系統(tǒng)常常由于存在各種傳感器的故障而導(dǎo)致能耗浪費(fèi)、熱舒適性下降等問(wèn)題。目前已有的故障診斷方法對(duì)多故障并存的問(wèn)題往往存在診斷效率低、準(zhǔn)確性差，因而難以實(shí)現(xiàn)真正的容錯(cuò)、高效的控制，進(jìn)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(píng)估的多故障診斷及容錯(cuò)控制方法。研究主要獲得了三方面的進(jìn)展：第一，提出了基于半實(shí)物混合仿真的研究方法，搭建了半實(shí)物混合仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并驗(yàn)證了該方法用于故障診斷與容錯(cuò)控制研究的有效性與可行性。采用半實(shí)物混合仿真的研究方法開(kāi)展空調(diào)系統(tǒng)控制與診斷的研究工作具有真實(shí)、簡(jiǎn)便、高效的特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外的研究中鮮有先例。第二，基于混合仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)，提出基于分形維數(shù)、統(tǒng)計(jì)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(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)單故障和多故障的傳感器故障診斷當(dāng)中；研究結(jié)果表明該方法具有較好的檢測(cè)效率與診斷能力。最后，提出了基于能耗評(píng)估的空調(diào)系統(tǒng)容錯(cuò)控制方法，開(kāi)發(fā)了基于ELECTRE的能耗評(píng)估方法，用于空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行性能評(píng)價(jià)，開(kāi)展了基于空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行性能優(yōu)化的在線容錯(cuò)控制。本研究提出的基于能耗評(píng)估的容錯(cuò)控制是建筑空調(diào)故障診斷領(lǐng)域一個(gè)新穎的思路，且具有重要的應(yīng)用價(jià)值，在國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究中尚屬首次。相關(guān)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(cè)與診斷問(wèn)題，涉及到了系統(tǒng)容錯(cuò)控制的前沿領(lǐng)域與難點(diǎn)問(wèn)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(lǐng)域的研究?jī)?nèi)容。已發(fā)表了6篇SCI國(guó)際期刊論文（期刊多為本行業(yè)頂級(jí)學(xué)術(shù)刊物），2篇EI論文，參加了2次國(guó)際會(huì)議（其中一次國(guó)際制冷大會(huì)為本行業(yè)頂級(jí)學(xué)術(shù)會(huì)議）、3次國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)會(huì)議，本項(xiàng)目的相關(guān)研究成果引起了國(guó)內(nèi)外同行的高度關(guān)注。 2100433B

對(duì)空調(diào)系統(tǒng)實(shí)施容錯(cuò)控制是為了排除故障、提高運(yùn)行效率，而運(yùn)行效率是否提高、提高多少，取決于診斷的能力和容錯(cuò)的效果。如何定量評(píng)價(jià)空調(diào)系統(tǒng)的容錯(cuò)效果？目前仍未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。本研究從用能效率的角度，探索空調(diào)系統(tǒng)容錯(cuò)效果的定量評(píng)價(jià)機(jī)制，并研究針對(duì)異常能耗的快速檢測(cè)邏輯、多故障耦合的診斷及容錯(cuò)方法。首先繪制空調(diào)系統(tǒng)的能耗圖譜，提取能耗與關(guān)鍵參數(shù)的關(guān)聯(lián)特征。采用小波對(duì)能耗向量解耦，通過(guò)對(duì)能耗的高、低頻特征進(jìn)行空間多維標(biāo)度分析來(lái)檢測(cè)故障。建立了上位級(jí)-下位級(jí)聯(lián)合的多故障解耦與診斷模型。對(duì)控制失效問(wèn)題，確定了以相關(guān)參數(shù)組作為替補(bǔ)被控變量、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為輔助控制方法的容錯(cuò)方案。最后，提出容錯(cuò)效率的概念，定義了基準(zhǔn)能耗與控制目標(biāo)，建立了以熱舒適性（控制目標(biāo)）為約束、能耗為指標(biāo)的容錯(cuò)效率評(píng)估模型。本研究將豐富空調(diào)故障診斷的研究?jī)?nèi)容，為空調(diào)容錯(cuò)評(píng)價(jià)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定提供參考，實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)高效運(yùn)行與節(jié)能。

按照項(xiàng)目計(jì)劃書(shū)的研究計(jì)劃，本項(xiàng)目主要開(kāi)展了以下幾方面的研究工作： 1） 2011年度：對(duì)實(shí)際中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)研，特別是針對(duì)其核心環(huán)節(jié)（冷水機(jī)組和空調(diào)箱）的運(yùn)行、控制、故障及能耗狀況進(jìn)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(duì)象，對(duì)此類(lèi)研究對(duì)象發(fā)生故障（稱(chēng)為軟故障）后對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的影響進(jìn)行分析，另一方面，對(duì)系統(tǒng)及設(shè)備的硬故障及其與前述軟故障耦合對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行與能耗的影響進(jìn)行了理論分析。在此基礎(chǔ)上，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)軟硬故障的控制特性進(jìn)行了研究。 2） 2012年度：針對(duì)空調(diào)系統(tǒng)難以完全真實(shí)模擬的特性，提出了虛擬建筑結(jié)合實(shí)物控制系統(tǒng)的研究思想。搭建了建筑空調(diào)系統(tǒng)半實(shí)物混合仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)，完成了實(shí)驗(yàn)臺(tái)的軟硬件測(cè)試及系統(tǒng)整體調(diào)試等工作。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可支持研究計(jì)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(yù)處理的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障檢測(cè)方法、基于聚類(lèi)與灰箱模型的故障檢測(cè)方法及基于雙神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障檢測(cè)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(cè)與診斷方法，開(kāi)展了空調(diào)系統(tǒng)的容錯(cuò)效率研究。首先，提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及聚類(lèi)分析的故障檢測(cè)與診斷方法，并將其應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)多種故障的測(cè)試中，效果良好。然后，提出了空調(diào)系統(tǒng)幾個(gè)重要的容錯(cuò)效率指標(biāo)，針對(duì)漏報(bào)警率、誤報(bào)警率以及檢測(cè)時(shí)間進(jìn)行了研究與驗(yàn)證。 通過(guò)三年的研究工作，建立了半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)，發(fā)展了基于故障特性的故障檢測(cè)與診斷方法，評(píng)價(jià)了不同故障下的診斷及容錯(cuò)效率。從而形成了一套完整的空調(diào)系統(tǒng)故障檢測(cè)、診斷、容錯(cuò)控制與性能評(píng)價(jià)的方法。 本項(xiàng)目通過(guò)三年的研究工作，已完成項(xiàng)目計(jì)劃內(nèi)容，基本達(dá)到了項(xiàng)目研究目的。在上面介紹的工作基礎(chǔ)上，目前已發(fā)表SCI國(guó)際期刊論文6篇，EI中文論文2篇，參加國(guó)際會(huì)議2次、國(guó)內(nèi)會(huì)議3次，研究成果得到國(guó)內(nèi)外同行的高度關(guān)注。 2100433B

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)故障引起的能源浪費(fèi)、熱舒適性降低和室內(nèi)空氣品質(zhì)下降等問(wèn)題日益嚴(yán)重。針對(duì)變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)故障，本項(xiàng)目研究變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)故障診斷及容錯(cuò)控制方法。在研究故障檢測(cè)方法時(shí)，考慮數(shù)據(jù)自相關(guān)性、噪聲、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性和瞬變過(guò)程等因素的不利影響，研究適用于實(shí)際系統(tǒng)的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)魯棒故障檢測(cè)方法，著重于提高故障檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。針對(duì)故障診斷的關(guān)鍵問(wèn)題及難點(diǎn)：一個(gè)故障征兆可能存在多種潛在的故障原因，綜合運(yùn)用因果分析圖、系統(tǒng)分析、主動(dòng)式故障診斷技術(shù)和專(zhuān)家規(guī)則等方法，研究適用于實(shí)際系統(tǒng)的基于規(guī)則的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)主動(dòng)式故障診斷方法。在研究在線容錯(cuò)控制方法時(shí)，考慮變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的非線性特點(diǎn)，研究傳感器故障測(cè)量數(shù)據(jù)在線恢復(fù)方法，并開(kāi)發(fā)適用于實(shí)際系統(tǒng)的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)軟故障自糾正方法。本項(xiàng)目將為開(kāi)發(fā)變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)故障診斷及容錯(cuò)控制系統(tǒng)提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。