基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制系統仿真

王 爽，周曉冬，董 晶

(1.吉林建筑科技學院管理工程學院，吉林 長春 130114；2.東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

1 引言

在我國的建筑能耗中，建筑能耗是占比非常大的一部分。隨著“零能耗建筑”的提出，對建筑的節能設計顯得尤為重要。然而，零能耗設計僅在理論上可行，完全零能耗將會導致建筑成本的大幅提高[1-3]。目前，“近零能耗建筑”被廣泛認可。由于我國的氣候特征、居民生活習慣的不同，發達國家的相關指標體系不適用于我國。因此，近零能耗建筑要根據我國的氣候特征和實際條件，通過對建筑能耗的控制，使建筑能耗消耗量盡可能地降低，使居民在所處環境舒適的前提下，建筑能耗也能降到最低。近零能耗建筑初建增量成本較高，平衡好近零能耗建筑的增量成本與經濟效益的關系，評價建筑節能效果，提高近零能耗建筑能耗的控制效果，是目前亟待解決的問題[4-6]。

目前，關于近零能耗建筑的能耗控制方法仍然存在一定的不足。比如，基于BIM的建筑能耗控制方法[7]、基于指標控制的建筑能耗控制方法[8]、多參數聯合控制法[9]，其中，基于BIM的建筑能耗控制方法主要通過建筑信息管理模型對建筑能耗實施控制，基于指標控制的建筑能耗控制方法主要通過對能耗控制指標對建筑能耗實施控制，多參數聯合控制法主要通過設置溫度傳感器參數對建筑能耗實施控制。由于上述傳統方法均存在能耗控制效果不夠好的不足，需要對其作出進一步研究和改進。模糊PID控制方法具有使用方便、適應性強的優點，被廣泛應用在多個領域。基于此，設計一種基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制系統，并通過仿真驗證了提出的基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制系統的能耗控制效果更好。

2 基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制系統設計

2.1 基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制原理

提出的基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制系統的原理如圖1所示。

圖1 自適應模糊PID控制器原理示意圖

如圖1所示，把控制系統得到的偏差信號和偏差變化率送入模糊控制器，將其模糊化處理，把模糊化的信號根據模糊推理規則進行模糊運算，得到模糊結果，最后，將其通過修正變成常見的準確值[10]。綜上所述，完成了自適應模糊PID控制原理，根據該原理完成了基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制系統的設計。

2.2 基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制系統硬件設計

基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制系統的硬件結構示意圖如圖2所示。

圖2 基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制系統硬件設計

如圖2所示，基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制系統硬件主要包括控制中心計算機、模糊控制器、PID控制器、數據采集卡、傳感器等，下面對其具體分析。

控制中心計算機：作為基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制系統硬件部分的核心，對整個控制系統起著核心控制作用，所有數據顯示、存儲和監測均由該部分控制[11]。

傳感器：安裝在能夠準確反映建筑物溫度等能耗信息的位置，能夠獲取近零能耗建筑物的能耗相關信息。

PID控制器：通過對建筑能耗控制系統中的冷熱源、空調等能耗裝置實施控制，從而實現對近零能耗建筑的能耗控制。PID控制器結構如圖3所示。

圖3 PID控制器結構圖

模糊控制器：采用專用的模糊芯片，對PID控制器實時開展模糊推理等工作。

數據采集卡：數據采集卡采集獲取從建筑物不同位置的傳感器的數據，將獲取到的數據傳輸至PID控制器，PID控制器對其預處理后，通過模糊控制器，將處理過的建筑能耗數據傳輸至計算機。

通過上述硬件設備，完成基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制系統硬件設計。

2.3 基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制系統軟件設計

在完成系統硬件設計后，對系統軟件開展設計?；谀：齈ID的近零能耗建筑能耗控制系統軟件包含多個模塊，其中，用戶登錄模塊用于驗證用戶身份，其實現過程如圖4所示。

圖4 用戶登錄示意圖

如圖4所示，在用戶登錄后，控制系統會自動驗證用戶信息，匹配成功后用戶進入近零能耗建筑能耗控制系統的主頁面。如果用戶信息無法匹配，則無法進入近零能耗建筑能耗控制系統。根據角色將用戶分為普通系統用戶和系統管理人員，對不同角色的權限設置不用。普通用戶僅可操作數據查詢、保存，打印文件等功能，系統管理人員除了具有上述權限外，還可以操作建筑能耗信息管理、信息配置等功能。

采集模塊：通過溫濕度傳感器等儀表，每隔一定的時間采集建筑能耗的相關信息數據，通過規范協議，將數據信息和相關指令，實現實時傳輸。對傳輸的數據進行數據解析、過濾等預處理，得到有效數據，將有效數據存儲至存儲模塊[12]。

建筑能耗控制模塊：在獲取建筑相關信息后，根據控制原理，采用自適應遺傳算法對PID實施控制。具體算法流程如下：

首先，優化控制器參數。對控制器參數作編碼處理。通過編碼，利用二進制編碼方式，將待優化的控制器參數映射到編碼空間，編碼精度要求如式(1)所示

(1)

在式(1)中，p代表控制器參數取值上限，q代表控制器參數取值下限，m代表控制器參數的編碼長度，σ代表控制器編碼精度。將編碼精度設置為σ<0.08，利用式(1)計算可得編碼長度≥5。

按照控制規則，利用控制參數，實現對基于零能耗建筑能耗的控制，具體控制步驟如下：

首先，開展PID變量的輸入輸出工作。輸入變量為誤差E和誤差速度V，輸出變量為W。采用模糊推理方法作模糊判決。判決公式如下

(2)

在式(2)中，G代表PID控制器的控制規則，A，B代表控制參數，γc(W)代表控制規則Gi輸入的隸屬度函數值，Ci代表得到的相應的輸出值。利用式(2)作模糊判決。之后，解模糊化，PID的模糊輸出為

(3)

根據式(3)，模糊PID控制器的實際輸出如式(4)所示：

w=αW+β∑Wi·Ts

(4)

在式(4)中，α代表比例因子，β代表積分系數，Ts代表采樣時間。利用自適應思想，構建自組織調整機構，用于測試系統響應過程中的誤差及其變化。

隸屬度函數和控制規則編碼的過程如下：利用遺傳算法，優化各模糊子集隸屬度函數參數：

首先，用1～7代表輸入PID的輸入變量和輸出變量值，總共包含7*7條規則，49個待尋優的隸屬度函數參數，每條控制規則用3位二進制編碼，控制規則編碼串長度為147位，需要考慮到的條件為：①對PID控制器的輸入變量的模糊論域作歸一化處理，如果控制系統的方向無特殊性，則控制規則庫具有對稱性。②根據控制規則，對其作相應調整，將要優化的控制規則減少至24個，編碼長度減少至72位，對控制參數實行統一編碼。

之后，選取適應度函數，利用常用的ITAE性能指標，作為遺傳算法優化的目標函數：

(5)

式(5)為時間乘以誤差絕對值積分，將其離散化后如式(6)所示。

(6)

在式(6)中，T代表采集能耗值的采樣時間，k代表能耗值的采樣次數，ei代表采樣時能耗控制系統的誤差。個體的適應度越大越好，適應度函數為

(7)

在式(7)中，N代表靈敏度控制參數，通常取值為1，通過上述公式，將極小值問題轉化為適應度函數的最大值問題。

在完成上述操作后，針對其中的誤差，利用遺傳操作算子對其作進一步優化。首先，剔除較差的個體，采用非線性排序選擇的兩點交叉法對PID控制規則和PID隸屬函數參數實行交叉操作，增大群體多樣性，加快最優解的搜索速度；然后，對種群個體重組，使種群新增個體、增大可能解的搜索空間。在實行交叉操作前，對控制規則編碼串中的等位基因作比較，如果絕對差值小于2，則實行交叉操作，反之，則保持基因不變。之后，采取變異操作使種群個體的多樣性得以保留，抑制種群中個體早熟，通過自適應調整交叉變異概率，完成遺傳操作，具體過程如下：

設種群的交叉概率用jc表示，種群的變異概率用jm表示，但jc過大或者過小都不利于種群的遺傳。jm過大或者過小都不利于種群新個體的產生。利用式(8)實行交叉變異操作

(8)

在式(8)中，i=c，m，當滿足條件(favg/fmax)>a且(fmin/fmax)>b時，則認為該代種群個體較為集中，則jc和jm根據集中程度，jc和jm自適應變化，參數a的取值范圍為[0.5，1]，參數b的取值范圍為[0.2，0.5]，jc<1-fmin/fmax，jm<1-fmin/fmax可保證jc和jm的值小于1。將建筑能耗控制參數作為研究對象，利用上述自適應遺傳算法優化控制系統的控制參數，利用優化的控制系統，對近零能耗建筑實施最優能耗控制。

至此，根據模糊PID工作原理，通過硬件設計和軟件設計，完成基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制系統的設計。

3 仿真研究

為驗證提出的基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制系統是否具有更好的控制效果，設計了對比實驗。

3.1 仿真過程

近零能耗建筑能耗控制系統用戶通過網址進入能耗控制頁面，根據頁面提示驗證用戶信息，登錄界面如圖5所示。

圖5 能耗控制系統登錄界面圖

在進入系統界面后，對近零能耗建筑能耗實施控制。利用Matlab開展仿真模擬，設置的建筑物參數如表1所示。

在表1的參數設置下，以近零能耗建筑的冷熱源控制為例，利用提出的基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制系統開展模擬工作。

為了證實提出的基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制系統的有效性，采用基于BIM的近零能耗建筑能耗控制系統、基于指標控制的近零能耗建筑能耗控制系統、多參數聯合控制系統與提出的基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制系統作比較，觀察實驗結果，對比對建筑能耗的控制效果。

3.2 仿真結果分析

在建筑能耗控制中，以溫度控制結果為例，在對溫度的控制過程中，當時間在5000s時，利用提出的基于模糊PID控制的近零能耗建筑能耗控制系統實施同步控制，得到的仿真結果如圖6所示。

圖6 溫度變化情況的仿真結果

通過如圖6所示的同步控制，吸氣壓力的波動變化情況如圖7所示。

圖7 吸氣壓力變化情況的仿真結果

如圖7所示，通過對建筑溫度的同步控制，吸氣壓力的波動范圍由原來的0.3～3bar變為0.3～1.6bar，吸氣壓力的變化幅度減小近二分之一，說明控制系統很好的控制了壓縮機的啟動與停止，降低了壓縮機能耗，表明其具有很好的控制效果。

為驗證提出的控制系統是否具有經濟性，對四種控制系統建筑能耗值作對比，根據能耗數據，利用能耗計算軟件計算能耗值，得到不同控制系統的能耗值。利用提出的基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制系統、基于BIM的近零能耗建筑能耗控制系統、基于指標控制的近零能耗建筑能耗控制系統、多參數聯合控制系統對零能耗建筑能耗實施控制，得到的各個控制系統的能耗對比結果如圖8所示。

圖8 不同控制系統的能耗值對比結果

如圖8所示，對比不同控制系統的能耗控制結果，通過對比發現，采用提出的基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制系統，建筑能耗值最低，與其它控制系統相比，能耗值可大幅降低，表明其控制效果較好。

4 結束語

本文研究了基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制系統，通過仿真驗證得出，提出的基于模糊PID的近零能耗建筑能耗控制系統實現了對零能耗建筑的能耗控制，該控制系統的能耗值均低于傳統的近零能耗建筑能耗控制系統的能耗值，具有更好的控制效果?；谀：齈ID的近零能耗建筑能耗控制系統的提出能夠為該方面的研究提供一定的參考價值。