宁波诺丁汉大学理工学院建筑与建筑环境系夏亮副教授及其博士生团队研发的智能控制系统获得了计算机软件专利认证。这项新专利不仅可以弥补传统PID控制系统能耗大的缺点,还可以在非稳态的环境下自行调整到最佳的供能方案。

该软件的全称为基于径向基神经网络、比例积分微分控制器和双目标优化器的控制系统。

在我们的日常生活中,存在着许多的控制系统:在鱼缸中,为了使小鱼更好的在适宜温度下存活,会有水温控制系统;在大棚中,为了使蔬菜更好的在适宜条件下生长,会有湿度调节系统;在商场中,为了让顾客感到舒适,会有气温调节系统……

例如,在一般的写字楼中,为了保证大家的健康,中央空调会被设置在26℃左右。当空调的感受系统监测到温度高于26℃时,会自发的启动/加速制冷系统的工作频率,使室温下降;当空调的感受系统监测到温度低于26℃时,会自发的减缓制冷的系统的工作频率,或进入休眠的状态,以此来维持大楼中温度的相对稳定。这就是我们在市面上常见的变频(控制)空调。

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在现代应用中,大规模的控制系统通常采用的是比例积分微分控制(简称PID控制),是最早发展起来的控制策略之一,由于其算法简单、可靠性较高,被广泛应用于工业过程控制。简单的说,根据给定值和实际输出值构成控制偏差,将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量,对被控对象进行控制,是一种线性控制结构。如今的市场中,有大约90%的控制回路都具有PID结构。

新型控制系统有什么不一样呢?

优势一:摆脱固定参数,自发寻找最低耗能途径PID固然是控制系统中最常用的方法,但是当系统比较大的时候,特别是在非稳态的环境下,它存在着非常明显的BUG,就是能源浪费的问题。例如,在商场中,由于客流量等的变化,会导致有随机的不确定性,所以会有大量能量消耗,而且温度通常达不到最舒适的程度。所以,新型自整定RBF-PID控制器是在原有的增加了新的优化目标,即节能的目的。其原理是通过参数的灵活变化,系统自身寻找最优解。

对于实验水加热系统,控制输出 u(t) 直接决定加热的能量输入,以此来影响水温,同时调控加热过程中消耗的能量。因此,u(t)的优化应涵盖上述双重目标,即非稳态时消耗的能量少并且在稳态时控制精度要高。所以,在此给出了“e-RBF-PID”的整定规则,即∂E/∂K 与温度控制的精度有关,而∂u/∂K 与控制器在非稳态期间的能耗有关,通过系统间的相互关联,来达到调控的目的。以空调为例,传统的空调配有有温度探头,不断的探测温度,当温度低,压缩机转动频率降低,以此来调整,但是变频有快有慢,震荡的模式不一样,会不够稳定。而新模式下的控制系统,同样是变频,但是会自动去寻找最优的震荡点,以此来节约能源。

优势二:应用领域广泛,不局限于单一的控制种类

控制系统已被广泛应用于人类社会的各个领域。在工业方面,对于冶金、化工、机械制造等生产过程中遇到的各种物理量,包括温度、流量、压力、厚度、张力、速度、位置、频率、相位等,都有相应的控制系统。在此基础上通过采用数字计算机还建立起了控制性能更好和自动化程度更高的数字控制系统,以及具有控制与管理双重功能的过程控制系统。在农业方面的应用包括水位自动控制系统、农业机械的自动操作系统等。所以说,只要有工业生产的地方,就会有控制系统的存在。

优势三:降低碳排放,为全球气候变化出力

根据夏亮老师的描述,建筑能耗占据全球能耗的40%,而这其中,采暖和空调的能耗占据了建筑能耗的绝大多数。在中国,以化石能源为主要燃料的火力发电仍然占据了电力生产的主要来源。在此过程中,也排放了大量的二氧化碳等温室气体。降低能耗,减少碳排放迫在眉睫。夏亮老师表示,他希望可以把这套智能控制系统推广到更多大型公共建筑,将节能的效果发挥到最大。

 

夏亮老师回忆说,项目的灵感来源,是自己的孩子。自己的孩子喜欢鱼,但是很多名贵的鱼在饲养时对于温度的把控要求很高,不然很难养活。而水温控制是夏老师的老本行,于是他就在想很:如果较大的鱼塘能够有更好的方式控制温度,同时能够使能耗降低,就是一举两得。于是夏老师便和他的博士生团队、联合北京工业大学的潘嵩老师以及华北科技大学的吴金顺老师一起,进行试验,搭建水槽,来设计控制方法---让水温的变化曲线理想化。经过不懈的努力,便有了今天的成就。项目中的王足和王新如是夏亮老师的博士生,这套智能控制系统也是王足的博士研究课题。

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发布于2021年07月28日