導(dǎo)語：蓄冰優(yōu)化控制管理論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要

在分析蓄冰系統(tǒng)優(yōu)化控制的基礎(chǔ)上，提出了基于專家系統(tǒng)的新方法。該算法的數(shù)學基礎(chǔ)是運籌學的目標規(guī)劃，通過一系列簡化而成為一個整數(shù)規(guī)劃問題，進而提出標準運行模式的概念，并由專家系統(tǒng)方法建立外溫等影響熱負荷的因素與標準運行模式的對應(yīng)關(guān)系，這個關(guān)系是統(tǒng)計的和動態(tài)的。

關(guān)鍵詞：優(yōu)化控制整數(shù)規(guī)劃標準運行模式專家系統(tǒng)方法

Abstract

Putsforwardamethodbasedamethodbasedontheexpertsystemafteranalyzingtheoptimizingcontroloficestoragesystems.Themathematicalbaseofthesolutionisobjectprogramminginoperationalresearch,throughaseriesofsimplifyingitbecomesanintegralprogrammingproblem.Givesstandardrunningmodels.Therelationshipisstatisticalanddynamic.

Keywords：optimizingcontrolintegralprogrammingstandardrunningmodelexpertsystemmethod

0引言

蓄冰系統(tǒng)常見的控制策略有制冷機優(yōu)先、蓄冰罐優(yōu)先、均勻融冰和優(yōu)化控制等。優(yōu)化控制是指提出一經(jīng)濟性目標函數(shù)，然后在一定的約束條件下求解以使該目標函數(shù)達到最小值的方法。

清華大學建筑技術(shù)科學系于1997年推出了一套蓄冰系統(tǒng)優(yōu)化控制算法，筆者在該算法的基礎(chǔ)上作了進一步研究。

1優(yōu)化控制算法基本思路及在工程應(yīng)用中存在的主要問題

1．1基本思路

①溫度預(yù)測：根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和天氣預(yù)報（最高溫和最低溫）預(yù)測第二天的24h溫度曲線。

②負荷預(yù)測：根據(jù)歷史數(shù)據(jù)在每日供冷開始前預(yù)測當天的負荷曲線。

③負荷優(yōu)化分配：建立負荷優(yōu)化的數(shù)學模型，用單純的型法求解。

1．2存在的主要問題

①上述優(yōu)化優(yōu)化控制給出的逐時負荷分配結(jié)果常常使制冷機承擔的負荷值逐時變化較大，導(dǎo)致制冷機啟停頻繁。這不僅造成運行管理不便，而且由于制冷機的啟停帶來的供冷量突然變化使得控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。

②不易準確實測負荷。

③負荷預(yù)測過程中的大量矩陣運算，影響控制系統(tǒng)的可靠性。

2優(yōu)化控制算法的數(shù)學模型的分析和簡化

2．1負荷優(yōu)化分配的數(shù)學模型

設(shè)用戶k時刻的負荷為qk，其中制冷機負擔qrk，蓄冰罐負擔qik，冷凍機出力qrk的費用為R(qrk)，蓄冰罐出力qik費用為I(qik)，則全天的運行費M為

(1)

優(yōu)化的目標是從經(jīng)濟性考慮全天的運行M最小化，優(yōu)化的約束條件是：

0≤qrk≤qrkmax0≤qik≤qikmax

qrk+qik=qk(2)

其中qrkmax為冷凍機k時刻的最大制冷能力；qikmax為蓄冰罐k時刻的最大融冰供冷能力。

進一步分析，按電價結(jié)構(gòu)、用戶負荷、系統(tǒng)性能給出具體目標函數(shù)：

（3）

qikmax=r

假設(shè)蓄冰罐k時刻的最大融冰供冷能力與剩冰成線性關(guān)系：

（4）

其中ak是制冷機單位供冷負荷的費用；bk是冰罐單位冷負荷的費用；c，d是蓄冰罐k時刻的最大融冰供冷能力與剩冰之間的線性關(guān)系的兩個常量，可根據(jù)蓄冰罐的融冰特性曲線求得；常量r是制冷機的最大制冷能力。

可見，優(yōu)化負荷分配的數(shù)學模型是一個線性規(guī)劃問題。求解上述線性規(guī)劃問題的結(jié)果即可得到各時刻冷凍機和蓄冰罐分別負擔的冷負荷qrk，qik。

2．2線性規(guī)劃問題的多解性

上述問題為線性規(guī)劃問題，其經(jīng)典求解方法是單純型法。例：某地電價結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1某地電價

時段8：00～11：0011：00～18：0018：00～22：0022：00～8：00

電價/元/kWh1.20.81.20.3

共3臺制冷機，總最大出力1000kW，蓄冰總量8000kWh。

供冷時間為8：00～17：00，逐時負荷和由單純型法求得的逐時負荷分配表2。

表2由單純型法求得的制冷機和蓄冰罐的逐時負荷分配

時段8：00～9：009：00～10：0010：00～11：0011：00～12：0012：00～13：0013：00～14：0014：00～15：0015：00～16：0016：00～17：00

電價/元/kWh1.21.21.20.80.80.80.80.80.8

負荷/kW80010001400180020002200240020001400

qik/kW70040011008001000120014001000400

Qrk/kW100600300100010001000100010001000

上述給出的解，使制冷機在上午的運行負荷從100kW，變?yōu)?00kW，后為300kW，不斷變化。

但進一步分析發(fā)現(xiàn)，表3所示的負荷分配也是方程的一個解，但單純型法沒給出。

表3由優(yōu)化方程得出的制冷機和蓄冰罐的逐時負荷分配

時段8：00～9：009：00～10：0010：00～11：0011：00～12：0012：00～13：0013：00～14：0014：00～15：0015：00～16：0016：00～17：00

負荷/kW80010001400180020002200240020001400

qik/kW50070010008001000120014001000400

qrk/kW333333334100010001000100010001000

我們還能發(fā)現(xiàn)上述方程的很多解。其實只要保證上午8：00～11：00制冷機供冷1000kW，而其余的負荷由融冰來承擔，這樣的分配就是優(yōu)化方程的一個解。可見上述問題有無窮多個解。

常規(guī)的線性規(guī)劃問題一般只有惟一解，但這里的優(yōu)化方程有無數(shù)個解。這是因為我們所研究的線性規(guī)劃問題有其特殊性：電價結(jié)構(gòu)分段，而非逐時不同，從而導(dǎo)致在很多程度上，制冷機的出力可以在同一個電價段內(nèi)進行平移，而不影響經(jīng)濟性。

比較優(yōu)化方程的無數(shù)人解，可分出其"優(yōu)劣"。

在上例中，制冷機的出力（kW）逐時為333，333，334，1000，1000，1000，1000，1000，1000是一個最優(yōu)解，這個解對應(yīng)的逐時的運行方式為：前3h1臺制冷機全工況、后6h3臺制冷機全工況運行。

2.3規(guī)劃的改進全工況運行

如果從數(shù)學的角度分析上述例子，可以在原有的線性規(guī)劃問題中地加下述約束：

qr9=qr10=qr11，qr12=qr13=qr14，qr15=qr16=qr17

3數(shù)學模型的離散近似解：標準運行模式

3．1數(shù)學模型的離散近似解

改進的數(shù)學模型用單純型法求解，就能得到一個較滿意的解。但如果從工程的角度考慮，有一個全新的解決之道，即離散近似解的解決方法。

從工程的角度看，把qrk求解準確到小數(shù)點后多少位并不重要。把qrk限制為制冷機最大出力的0，1/10，1/5，3/10，2/5，1/2，3/5，7/10，4/5，9/10，1等就已足夠了，更為簡單的處理是將qrk限制為冷機最大出力的0，1/4，1/2，3/4，1，或0，1/3，2/3，1，對經(jīng)濟性影響較小。

如果在新的規(guī)劃總是中，把逐時的制冷機出力限制在若干個點上，就成了線性整數(shù)規(guī)劃問題。由于解的可能組合并不多，因而完全可以采用試算法求解：把所有的可能組合代入整數(shù)規(guī)劃的函數(shù)中，符合要求的就是要求的解。

為敘述方便，以qrk限制制冷機最大出的0，1/4，1/2，3/4，1作進一步的討論。以上一個實例分析所有可能的組合有5×5×5=125種。求解時只要遍歷所有這些可能就可以選擇到需要的解。

3．2標準運行模式

引進標準運行模式的概念，就可以使問題更加簡化。

就上述例子，qrk限制為制冷機最大出力的0，1/4，1/2，3/4，1，共有125種可能的運行方式，我們把每一種運行方式稱為一個運行模式，而標準運行模式就是運行模式的一個子集，如表4所示。

表4不同運行模式

8：00～11：0011：00～14：0014：00～17：00

模式1000

模式2001/4

模式301/41/4

模式401/41/2

模式501/21/2

模式601/23/4

模式703/43/4

模式803/41

模式9011

模式101/411

模式111/211

模式123/411

模式13111

以上這些模式對應(yīng)于負荷從小到大時運行模式的更替。原有125種可能，而表3中給出的僅為13種，它的特殊性在于每一種模式對應(yīng)于一定負荷范圍內(nèi)的最經(jīng)濟（或接近最經(jīng)濟）的運行方式。也就是說考慮經(jīng)濟性的情況下，原有的125種可能性變成了10余種。

標準運行模式是這樣一個解集：在運行模式中去掉大量的不可能是最經(jīng)濟的模式，由剩下的模式所構(gòu)成的解集。

日逐時負荷千變?nèi)f化，然而對應(yīng)的運行模式卻僅有10余種。顯然每一種運行模式都要對應(yīng)一組千變?nèi)f化的日逐時負荷分布。這種對應(yīng)關(guān)系可以通過"典型總負荷"來說明。從另一角度看，可以把日逐時負荷分布按運行模式進行分類。

可以定量地分析上述的標準運行模式的劃分是否最佳，從而對其進行一定的修改。

4初值條件到運行模式的統(tǒng)計的對應(yīng)關(guān)系--計算機專家系統(tǒng)方法的應(yīng)用

4．1離散化和對應(yīng)關(guān)系

有了標準運行模式的概念，就可以直接建立室外最高溫和最低溫與標準運行模式（運行方案）的對應(yīng)關(guān)系。

以北京的夏季供冷為例，假設(shè)最高溫度tmax∈[28，42]，最低溫度tmin∈[18，35]。注意tmax>tmin。則這樣的[tmax，tmin]組合共有2000余種。

如果假設(shè)逐時負荷決定于該日最高溫和最低溫，每一種可能的組合[tmax，tmin]惟一地對應(yīng)于某一逐時負荷圖，某一逐時負荷圖又對應(yīng)標準運行模式。

4．2統(tǒng)計的動態(tài)的對應(yīng)關(guān)系

上述的對應(yīng)關(guān)系基于這樣的假設(shè)：負荷決定于室外最高溫和最低溫。而實際上系統(tǒng)負荷除主要與室外溫度有關(guān)外，還與天氣陰晴、建筑物的使用情況、建筑內(nèi)的人員情況，甚至與星期幾和季節(jié)等因素有關(guān)。如果把這些相關(guān)因素成是一個隨機的變量，這些因素會導(dǎo)致負荷的波動，使得室外溫度和負荷的對應(yīng)關(guān)系呈現(xiàn)一種概率的現(xiàn)象，最終使得室外溫度與最佳運行模式的對應(yīng)關(guān)系帶有一種統(tǒng)計性。

由于制冷機、蓄冰槽等設(shè)備本身在長期使用中性能會慢慢改變，建筑物的功能也會變化，因此對應(yīng)關(guān)系是動態(tài)的。

以上的分析完成了整個工作的一半，應(yīng)用專家系統(tǒng)方法建立外溫、星期等與運行模式之間的對應(yīng)關(guān)系是整個工作的另一半，此處不作介紹。

參考文獻

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