MPC算法暖通空调系统舒适节能控制【附代码】

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暖通空调系统（HVAC）不仅负责维持室内舒适的温湿度环境，同时也面临节能和经济性日益增强的要求。通过应用模型预测控制（MPC）算法，可以有效地在舒适性与节能之间找到平衡点。本文提出了一种基于MPC的控制策略，旨在从空调的舒适性和节能效果两个重要指标出发，优化HVAC系统的运行。

舒适性与节能的综合考量

舒适性是用户体验的关键因素，涉及到室内空气质量、温湿度调节和微气候管理。有效的控制策略应确保室内环境的稳定性，使温湿度保持在用户的舒适范围内。同时，随着智能电网技术的发展，HVAC系统能够实时响应电力市场的变化，这为节能提供了新的机会。通过智能调节压缩机的工作频率，HVAC系统可以在需求响应机制下，根据实时电价信息进行优化，从而降低电力成本。

多区域空调房间的温湿度预测模型

在建立HVAC控制策略之前，首先需构建一个多区域的空调房间温湿度预测模型。采用计算流体力学（CFD）方法，能够有效模拟室内气流、温度与湿度分布。这种模型不仅考虑了室内的热动态特性，还能在外部扰动条件下提供准确的预测。使用基本的MPC算法构造温湿度跟踪的目标函数，以送风量的调节作为控制手段，确保室内环境能够迅速响应外部变化。

在MATLAB平台上进行仿真，结果表明，在外界扰动条件下，室内温湿度能够围绕参考值小幅波动。这表明所构建的模型与控制策略有效。在电力需求高峰前，改变参考温度，相比固定参考值，节省电价成本约34%。这一成果表明MPC在节能控制中的潜力。

建筑热动态特性的影响分析

建筑物的热动态特性对室内环境有显著影响，因此在建模阶段，需要考虑不同室内外环境条件及围护结构变化。通过分析对流换热系数和导热系数的变化，构建多胞体线性参数变化模型。在此基础上，引入线性矩阵不等式，提出了一种改进的Min-Max鲁棒MPC策略。这种策略能够有效应对参数不确定性干扰，确保室内各区域环境的稳定性。经过验证，改进算法下室内温度和湿度的平均跟踪误差分别控制在0.1℃和0.13 g/(kg dry air)以内，PMV指标的平均值为0.34，说明舒适性得到有效保障。

变频空调的动态控制策略

为了兼顾节能性与舒适性，设计了一种能及时响应动态电力价格变化的MPC策略。首先建立压缩机的性能模型及房间室温负荷模型，将外部天气条件作为输入，结合两者得到最终控制系统。这一控制系统的目标是优化室内温度和节省电价成本，并考虑功率与电价的时变约束条件以及舒适性约束。

仿真结果表明，基于需求响应的MPC策略相比于传统PID算法，全天总电能消耗降低了11.09%，电价成本降低了21.65%。在高峰期，电能消耗和电价成本分别降低了22.91%和35.04%。这种策略不仅实现了峰值转移，还确保了室温的平均值接近24.4℃，保证了室内舒适性。

% MPC Control for HVAC System

% Define parameters

N = 10; % Prediction horizon

dt = 1; % Time step

T_ref = 24; % Desired temperature (degrees Celsius)

alpha = 0.1; % Control gain

% Initialize state variables

temperature = 25; % Initial temperature

humidity = 0.01; % Initial humidity

% MPC loop

for t = 1:100

% Prediction model

predicted_temperature = temperature + alpha * (T_ref - temperature);

predicted_humidity = humidity; % Simple model, can be expanded

% Control action

control_signal = T_ref - predicted_temperature;

% Update state

temperature = temperature + control_signal * dt;

humidity = humidity; % Update humidity model if needed

% Display results

fprintf('Time: %d, Temp: %.2f, Humidity: %.2f\n', t, temperature, humidity);

% Simulate external disturbances

if mod(t, 10) == 0

temperature = temperature + randn * 0.5; % Simulate disturbance

end

end

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