一种基于2D模型的热交换器温度模糊控制方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于2D模型的热交换器温度模糊控制方法及系统，包括建立热交换器温度控制系统的动态演化模型；用T‑S模糊2D系统表征原被控系统动态特性；对系统的输出信号进行测量，并设计模糊固定阶输出反馈控制器，利用系统增广技术在统一的凸优化框架内给出模糊控制器的参数化设计方法。本发明专利技术基于2D动态模型针对热交换器温控系统进行刻画，更能体现系统状态在时间和空间上的演化特性。设计了模糊固定阶输出反馈控制器。该模糊固定阶输出反馈控制器仅利用系统的输出信号就能对热交换器系统进行有效的控制，同时改善了系统的鲁棒抗扰性能，有效地扩大了本发明专利技术的适用范围。

【技术实现步骤摘要】
一种基于2D模型的热交换器温度模糊控制方法及系统
本专利技术涉及热交换器温控
，具体来说是一种基于2D模型的热交换器温度模糊控制方法及系统。
技术介绍
我国的供热行业普遍面临两大现实问题，即用户端供热品质不佳，而供热企业的热能又存在着巨大浪费。随着人工智能技术的兴起，供热系统正从粗放型分散式的供热模式向着智慧化集中式的供热模式迈进。热交换器温控系统是一种典型的对流传热和热传导供热系统单元，具有节能效果好、应用范围广等优点。传统的对热交换器温度控制方法的研究均基于1维(One-dimensional1D)模型，并没有考虑其热力学过程是沿着时间和空间两个维度进行动态演化的。如何基于2维(Two-dimensional2D)模型，并采用智能化控制方法对热交换器的供热过程进行有效的控制是当前研究的热点问题。另一方面，用户室内温度不易采集而热交换器的供热温度(即系统的输出信息)容易测量。此外，用户室温也会随室外温度的变化而发生较大波动，这些因素会在很大程度上影响供暖效果，甚至导致用户室温无法达标。现有技术中，对于热交换器的温控技术研究较多，如公开号为CN110878959A公开的基于模型预测控制的建筑物温度控制方法及系统，该方法基于模型预测控制的原理对干扰进行预测，并补偿未来的环境温度变化。通过PID控制器，根据最佳供热温度值和二次侧供回水温度调节换热器一次侧热水流量，并通过换热器控制二次侧热水的温度，实现室内稳定供热，提高了用户的舒适度，降低了供热能耗。但是该专利技术存在以下两个问题：1)该专利技术仅从时间维度上考虑热交换器的供热问题，没有考虑热交换器的热力学过程在空间维度上的传输特性。2)该专利技术所提出的PID控制器的参数调节主要基于人工经验，缺少系统性的控制器设计方法。又如公开号为CN104964367A公开的一种冷热水流循环方法及系统，该专利技术包括以下步骤：液冷装置通过内部的冷却液从集群服务器端吸收电子元件散发的热量并将吸热后的冷却液输出至抽水装置；抽水装置将吸热后的冷却液抽出并输出至热交换器；热交换器与供暖装置中的水进行热交换并将热交换后的水输出至液冷装置，从而实现了利用散热的能量进行供暖，节约了成本。但是该方法存在以下两点问题：1)该专利技术缺少供热温度测量系统和控制系统，在用户对温度有明确要求的情形下，该方法不适用。2)该专利技术缺少抵御室外温度变化对室内温度影响的能力。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于如何提供一种控制方法可以保证热交换器系统的稳定性，同时能够改善闭环热交换器温控系统的鲁棒性能。本专利技术通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种基于2D模型的热交换器温度模糊控制方法，包括以下步骤：S01.建立热交换器温控系统的动态演化2D模型其中，s、t分别表征空间维度和时间维度的系统动态演化方向，Δs表示空间采样间隔，Δt表示时间采样间隔，xh(i，j)＝T(i-1，j)为时间方向系统状态，xv(i，j)＝T(i，j)为空间方向系统状态，x(i，j)＝[xhT(i，j)xvT(i，j)]T为时间和空间方向的系统状态，x+(i，j)＝[xhT(i+1，j)xvT(i，j+1)]T为下一时刻的系统状态，为系统矩阵参数，为外部干扰；S02.采用T-S模糊2D系统表征步骤S01中的2D模型动态特征，得到全局热交换器温控系统的T-S模糊2D模型：其中，S03.对热交换器温控系统的输出信号y(i,j)进行测量，并设计模糊固定阶输出反馈控制器，利用系统增广技术对步骤S02中的T-S模糊2D模型进行参数优化与整合，得到闭环热交换器温控系统为：其中，S04.采用Lyapunov函数法，在统一的凸优化框架内设计稀疏矩阵，并通过调节设计参数保证闭环热交换器温控系统的稳定性与鲁棒性。本专利技术基于2D动态模型针对热交换器温控系统的动态特性进行刻画，更能体现系统状态在时间和空间上的多维度演化特性。设计了模糊固定阶输出反馈控制器。该模糊固定阶输出反馈控制器仅利用系统的输出信号就能对热交换器系统进行有效的控制，同时改善了系统的鲁棒抗扰性能，有效地扩大了本专利技术的适用范围。进一步的，所述步骤S01中2D模型的建立过程为：热交换器温控系统热力学过程的动态特性由带有双重指标的非线性方程刻画：其中，s、t分别表征空间维度和时间维度的热交换器温控系统动态演化方向；T(s,t)代表热交换器的温度；u(s,t)为热交换器温度控制的控制输入信号，即调节阀的开度；w(s,t)为外部扰动；然后对热交换器温控系统(1)进行离散化处理，在空间和时间维度上，分别选择采样间隔为Δs、Δt；取T(i,j)＝T(iΔs,jΔt)为离散化处理后的温度，u(i,j)＝u(iΔs,jΔt)为离散化处理后的控制输入，w(i,j)＝w(iΔs,jΔt)为离散化处理后的干扰，且因此，可得热交换器温控系统(1)的离散非线性2D模型如下，进一步的，所述步骤S02中，在获得热交换器温控系统的T-S模糊2D模型之前，还需要使用扇区非线性法对2D模型(3)的非线性项进行模糊逼近，具体为：首先定义前件变量为θ(i，j)＝cos(xv(i，j))(4)显然θ(i，j)∈[-1，1]，且下式成立，其中，μ1(xv(i，j))和μ2(xv(i，j))为模糊隶属度函数；假设该热交换器温控系统(1)中只有温度信号可测，那么热交换器温控系统(1)的测量输出y(s,t)和评价输出z(s,t)为，基于公式(5)、(6)，非线性热交换器温控系统(1)可由下述带有2个规则的模糊2D模型刻画，系统规则Rulen：若θ(i,j)是Fn，则其中，n是模糊集Fn的角标，n∈{1,2}，且F1＝-1，F2＝1，且模糊隶属度函数为通过单点模糊化、乘积推理和中心平均反模糊化方法，得到式(10)全局热交换器温控系统的T-S模糊2D模型，其中，进一步的，所述步骤S03具体为：基于测量得到的热交换器温控系统输出信号y(i,j)，设计具有并行分布补偿形式的模糊固定阶输出反馈控制器如下：反馈控制器规则Rulen：若θ(i,j)是Fn，则其中，为反馈控制器状态，0≤nc≤nx是反馈控制器的阶数，且为时间方向的反馈控制器状态，为空间方向的反馈控制器状态，为下一时刻的反馈控制器状态，Acn，Bcn，Kcn，Dcn为待定的反馈控制器增益；将反馈控制器(11)应用于热交换器温控系统的T-S模糊2D模型(10)中，可得闭环热交换器温控系统为：其中，进一步地，所述步骤S04中采用的Lyapunov函数为：其中，是Lyapunov矩阵，为Lyapunov矩阵中的分块矩阵；考察Lyapunov函数(14)沿着时间和空间两个方向上的增本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于2D模型的热交换器温度模糊控制方法，其特征在于：包括以下步骤：/nS01.建立热交换器温控系统的动态演化2D模型/n

【技术特征摘要】
1.一种基于2D模型的热交换器温度模糊控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S01.建立热交换器温控系统的动态演化2D模型



其中，s、t分别表征空间维度和时间维度的系统动态演化方向，Δs表示空间采样间隔，Δt表示时间采样间隔，xh(i，j)＝T(i-1，j)为时间方向系统状态，xv(i，j)＝T(i，j)为空间方向系统状态，x(i，j)＝[xhT(i，j)xυT(i，j)]T为时间和空间方向的系统状态，x+(i，j)＝[xhT(i+1，j)xυT(i，j+1)]T为下一时刻的系统状态，为系统矩阵参数，为外部干扰；
S02.采用T-S模糊2D系统表征步骤S01中的2D模型动态特征，得到全局热交换器温控系统的T-S模糊2D模型：



其中，
S03.对热交换器温控系统的输出信号y(i，j)进行测量，并设计模糊固定阶输出反馈控制器，利用系统增广技术对步骤S02中的T-S模糊2D模型进行参数优化与整合，得到闭环热交换器温控系统为：



其中，



S04.采用Lyapunov函数法，在统一的凸优化框架内设计稀疏矩阵，并通过调节设计参数保证闭环热交换器温控系统的稳定性与鲁棒性。


2.根据权利要求1所述的一种基于2D模型的热交换器温度模糊控制方法，其特征在于：所述步骤S01中2D模型的建立过程为：
热交换器温控系统热力学过程的动态特性由带有双重指标的非线性方程刻画：



其中，s、t分别表征空间维度和时间维度的热交换器温控系统动态演化方向；T(s，t)代表热交换器的温度；u(s，t)为热交换器温度控制的控制输入信号，即调节阀的开度；w(s，t)为外部扰动；
然后对热交换器温控系统(1)进行离散化处理，在空间和时间维度上，分别选择采样间隔为Δs、Δt；取T(i，j)＝T(iΔs，jΔt)为离散化处理后的温度，u(i，j)＝u(iΔs，jΔt)为离散化处理后的控制输入，w(i，j)＝w(iΔs，jΔt)为离散化处理后的干扰，且



因此，可得热交换器温控系统(1)的离散非线性2D模型如下，





3.根据权利要求1所述一种基于2D模型的热交换器温度模糊控制方法，其特征在于：所述步骤S02中，在获得热交换器温控系统的T-S模糊2D模型之前，还需要使用扇区非线性法对2D模型(3)的非线性项进行模糊逼近，具体为：
首先定义前件变量为
θ(i，j)＝cos(xυ(i，j))(4)
显然θ(i，j)∈[-1，1]，且下式成立，



其中，μ1(xυ(i，j))和μ2(xυ(i，j))为模糊隶属度函数；假设该热交换器温控系统(1)中只有温度信号可测，那么热交换器温控系统(1)的测量输出y(s，t)和评价输出z(s，t)为，



基于公式(5)、(6)，非线性热交换器温控系统(1)可由下述带有2个规则的模糊2D模型刻画，系统规则Rulen：若θ(i，j)是Fn，则



其中，n是模糊集Fn的角标，n∈{1，2}，且F1＝-1，F2＝1，



且模糊隶属度函数为



通过单点模糊化、乘积推理和中心平均反模糊化方法，得到式(10)全局热交换器温控系统的T-S模糊2D模型，



其中，


4.根据权利要求3所述的一种基于2D模型的热交换器温度模糊控制方法，其特征在于：所述步骤S03具体为：基于测量得到的热交换器温控系统输出信号y(i，j)，设计具有并行分布补偿形式的模糊固定阶输出反馈控制器如下：
反馈控制器规则Rulen：若θ(i，j)是Fn，则



其中，为反馈控制器状态，0≤nc≤nx是反馈控制器的阶数，且为时间方向的反馈控制器状态，为空间方向的反馈控制器状态，为下一时刻的反馈控制器状态，Acn，Bcn，Kcn，Dcn为待定的反馈控制器增益；
将反馈控制器(11)应用于热交换器温控系统的T-S模糊2D模型(10)中，可得闭环热交换器温控系统为：



其中，





5.根据权利要求4所述的一种基于2D模型的热交换器温度模糊控制方法，其特征在于：所述步骤S04中采用的Lyapunov函数为：



其中，是Lyapunov矩阵，

为Lyapunov矩阵中的分块矩阵；
考察Lyapunov函数(14)沿着时间和空间两个方向上的增量，并考虑鲁棒干扰抑制性能γ，有：



其中，为增广状态，为矩阵变量；
沿着系统(12)的轨迹，有






其中，为增广的系数矩阵，为具有合适维度的非零矩阵；
结合式(15)、(16)，并抽取模糊隶属度函数，有



其中，为增广的矩阵变量，为再次增广的系数矩阵；
为在统一的凸优化框架下的控制器参数化设计，指定矩阵G和H具有下述结构，



其中，为参数矩阵，δ1，δ2，δ3，α1，α2，α3为可调的标量，为待定的矩阵变量；
定义参数矩阵



将式(19)中定义的矩阵带入式(17)中，通过调整合适的参数δ1，δ2，δ3，α1，α2，α3，可使得式(17)中的矩阵Λ负定，即满足式20成立：



此时，系统(12)渐近稳定，且具备最优的鲁棒干扰抑制性能γmin，且固定阶输出反馈控制器增益由下式参数化求解：





6.一种基于2D模...

【专利技术属性】
技术研发人员：纪文强，邱剑彬，顾军华，樊渊，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津;12