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模型预测控制的一种高效节能的实验分析
建筑采暖系统
摘要
低能耗建筑在近几年吸引了大量的关注。大部分研究集中在 建筑施工或替代能源。在相反，本文提出了利用现有的能源和最小的改造最大限度地减少能源消耗的一般方法，但
而不是利用先进的控制技术。我们专注于节能的分析 可以在建筑物加热系统通过将模型预测控制（MPC），并使用可以实现 天气预测。 MPC的基本配方是重点对建筑控制描述
应用和测试，在一个真正的建筑在布拉格，捷克进行了2个月实验 共和国。
？2011 Elsevier公司保留所有权利 介绍
建筑物占终端能源消费总量的20-40 ％ ，其金额已0.5-5％的增长速度，每年 在发达国家[ 1 ] 。由于发展领域 机械和土木工程，建筑的能源需求可
显著降低。不幸的是，大多数传统的节能减排解决方案需要大量的额外投资。相比之下，节约能源以最小的额外成本
可以通过改进的楼宇自动化系统的实现
（BAS） 。在今天的建筑不仅加热，通风和空气 空调（HVAC）系统可以自动地控制，但 还盲目定位系统，照明系统可以通过操作 BAS的[2,3]。
本文重点介绍了基于楼宇控制作为优化问题的制定方法。建筑物理配制中所使用的数学模型 对于未来的建筑行为根据预测 所选择的操作策略，天气和占用
预测。其目的是设计一个控制策略，最大限度地减少 能耗（或运营成本） ，同时保证
满足所有舒适性的要求。先进的控制技术通常表示为模型预测控制（ MPC）的文件中描述。 有关预测文献的全面介绍
楼宇控制可以在OptiControl的网站上找到 项目 1
。 MPC用于楼宇控制的主要原则是 有效地利用热质量或热存储建筑物的。
中提出的一项研究[ 4 ]是其中制定了蓄热的控制作为优化问题的第一篇论文。 一个简单的太阳能生活热水系统考虑的控制 天气预报和两个能量率有讨论。一些
早期文献[ 5,6]利用处理成本最低的冷却策略 建筑群作为蓄热。积极利用概述
热建筑物的质量是由于在[ 7 ]，其中的可变能量
价格和峰值功率的成本被认为是最优化问题的提法。这最大限度地减少了控制器 相对于时间变化的电能价格冷却成本
也出现在[ 8 ] 。其目的是利用夜间的优势
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电率和降低的环境温度而预冷的冷冻水箱。预冷的实验结果 [9 ]，其中一个更详细的建筑负荷模型，提出了
使用。用热质量加热预测控制进行了讨论中，如[10,11] 。有关节约能源，利用货币政策委员会
不同的热舒适标准在[ 12 ]中讨论 除了能量最小化，预测控制也可以
促进能量峰值降低[13,14] 。节能减排高峰可显著降低建设运营成本
和机械零件的初始成本，如果考虑在建筑设计。当前电网负荷和能量还原峰被认为是 在[15]。用于供热系统的大小进行预测控制 连续使用中的建筑物是在[ 16 ]中讨论，其中
模型被分解为4简单的RC模型，使之室外空气温度，太阳辐射，并且内部收益分别贡献建模。
如所提到的， MPC是不是可以使用的唯一方法
为优化楼宇控制。有无数次尝试利用那些知名的工业先进控制技术 过程控制也为楼宇控制[ 17 ] 。我们简单地提到
一些最近发表的替代解决方案，以最佳的楼宇控制的。对于一般的动态规划问题 钻孔热能存储系统的控制是这样解决的
[18]。的目的是要保证热或冷传送allyear绕，同时最小化操作成本。用于建筑物的热存储控制的加强学习技术在[19,20]概述。提供真实的实验大楼 只有8.3 ％的成本节约，因为蓄热一直只 部分由学习控制策略利用。在[21]中，一组的 模糊规则被用来降低所需的调谐时间的
监督控制器。遗传算法和模拟退火算法被用于冷却[ 22 ]的最优控制。目标 是设计最佳的经济利用自然通风，
风扇驱动的通风和机械空调对于室内温度的要求。不可控制的 可能的控制序列的数目减少代价 的实际问题，基于物理洞察力。
MPC的使用在楼宇控制应用的不断普及
最近几年是无可争议的，但是，大多数的结果都是基于 在模拟或短时间的实验。在本文中，我们
提供的MPC实现进行了详细的描述一个真实的 构建和我们分析从操作两个月的成果。该 本文的结构如下。该预测控制策略是
呈现在第2节。 Section3is专门的建模与压力
在统计建模。详细的案例研究是在Section4讨论。该科5concludes纸 2 。模型预测控制
楼宇自动化系统（BAS ）的目的是控制的加热，冷却，通风，盲目定位，电力照明， 构建这样的温度， CO2and亮度在水平 房间或建筑区停留所需的舒适范围内。 一个一般会将控件层次结构分为两个层次： 通常工作在房间级低液位控制器
以及用于跟踪一个指定的设定值，和一个高级别控制器 这是做了整幢建筑，并确定设定值
对于低级别的控制器。本文重点介绍的用法
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模型预测控制（MPC ），其被用作高层 控制器。
2.1 。 MPC策略
MPC是它起源于约束控制的方法 七十年代末和八十年代初在流程行业（石油炼油厂，化工厂等） （参见，例如[ 23?26] ） 。 MPC是不是一个单一的
的策略，但一类的控制方法，与该过程的模型明确地表示，为了通过最小化目标函数受到一些限制，以获得控制信号。在
楼宇控制人会着眼于优化能源使用或 成本受安慰的制约。
在每个采样间隔，有限的视距最优控制 问题是制定并解决了在有限的未来窗口。该 结果是输入的轨迹，并指出在未来满足 同时优化了动态和建筑物的限制
某些给定的标准。在建设控制方面，这意味着
在当前的时间点，加热/冷却等计划制定了接下来的几个小时到几天，根据预测
即将到来的天气情况。任何其他干扰（例如，内部收益）的预测，时间依赖性的控制 的费用（例如，动态电价） ，或限制
（例如，热舒适范围）可以很容易地包含在 优化。
该控制方案的第一步骤中被施加到建筑中，设置所有的加热，冷却和通风的元素，则该过程移动一步前进和重复该过程在
接下来的时刻。这种滚动时域方法就是引入反馈到系统中，因为新的最优控制 问题在接下来的时间间隔的开始解决将是 的新状态，因此在该时间点和功能 已作用于建筑物的任何干扰。
图。 1summarizes基本MPC控制方案。随着时间变化的设计参数，能源价格，舒适的标准，如
以及天气和占用的预测是输入到
MPC控制器。人们可以看到，在建模和设计努力包括指定建筑物的动态模型，以及 作为控制问题和成本函数的约束条件 封装所需的行为。在每个采样间隔，这些 部件组合，并转换成一个优化
问题取决于所选择的MPC框架。一个普通的 框架是由以下有限的视距优化给定 问题： 问题1 。 分
U0 ; ... ; uN的1 XN ？ 1 K表? 0 lkexk ; ukT成本函数e1T S： T：
X0 ?倍电流状态e2T
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xkt1 ? fexk ; ukT动态e3T DXK ; ？ ukT2Xk屋约束e4T wherexk2R ?
是国家，英国2R 米
为控制输入， KIS时间
步，值Xk andUk表示约束集的状态和投入 分别说明如下。我们现在每个细节的
四个组成部分在上述货币政策委员会制定并讨论如何 它们影响系统和所产生的优化问题。
请注意，这不是MPC配方全面的概述，而是配方的集合，这是经常使用的或合理的楼宇控制领域。对于
在MPC的配方更全面的概述，请读者仅 简称，例如为[ 27 ] 。 2.1.1 。成本函数
成本函数一般有两个目的：
？ Stability.It是共同的选择成本函数的结构，使得最优成本形成一个Lyapunov函数为 闭环系统，因此将保证稳定性。在
实践中，这种要求一般放宽了稳定系统的慢动力学，如建筑物，其中叶 设计师可以自由选择严格以表现为基准的成本。 ？性能target.The成本通常是，但不总是，用
指定偏好一行为对另一，例如，最小能量或最大的舒适度。
Fig. 1.Basic principle of model predictive control for buildings 图。模型预测控制建筑物的一，基本原则
一般来说，主要的目标是尽量减少能源成本的同时，
关于舒适性的限制，这可以通过下面的代价函数被形式化： lkexk ; ？ ukT ? DYK年，K T ? QK
？ DYK岁; kTtRkuk ; e5T
whereQkandRkare适当大小随时间变化的矩阵和 年，在蒂梅克kthe参考信号。精度之间的权衡
参考跟踪和能源消耗是由matricesQkandRk的比例来表示。参考跟踪可表示为 二次形式，因为它显著惩罚较大偏差 从参考。能源法案通常是一个仿射函数 总量所消耗的能量。因此，控制成本是
加权线性。函数式（5 ）不是唯一的成本函数
适用于楼宇控制。有可能是，例如，包括在可表达BYL的能源法案能源需求高峰处罚 1
范数在成本函数中的控制输入。详细 在布拉格建筑中使用的成本函数给出描述
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