基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的房間空調(diào)器控制系統(tǒng)

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的房間空調(diào)器控制系統(tǒng)摘要：以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，綜合考慮影響室內(nèi)人員熱舒適的多種重要環(huán)境因素，建立了房間空調(diào)器控制系統(tǒng)。介紹了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制原理。該控制系統(tǒng)將比單純以溫度為控制參數(shù)的傳統(tǒng)控制方法更能滿足室內(nèi)人員的舒適性和健康性要求，可達到創(chuàng)造良好舒適的室內(nèi)環(huán)境的目的。關(guān)鍵字：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)房間空調(diào)器控制系統(tǒng)熱舒適0前言通常中小型空間內(nèi)的熱環(huán)境由房間空調(diào)器來調(diào)節(jié)。房間空調(diào)器可用的調(diào)節(jié)手段一般有電子膨脹閥的控制、制冷壓縮機的變頻調(diào)節(jié)和風機轉(zhuǎn)速的控制[1]。一套好的房間空調(diào)器應(yīng)能通過這些可用的調(diào)節(jié)手段來調(diào)節(jié)影響室內(nèi)環(huán)境的眾多因素，在達到使室內(nèi)人員熱舒適的同時，又能實現(xiàn)經(jīng)濟性和節(jié)能的目的。然而，目前房間空調(diào)器單純以溫度為控制參數(shù)，忽略了其它幾個影響室內(nèi)環(huán)境的重要因素[2]；另外因為空調(diào)系統(tǒng)的控制對象的隨機、時變、時滯、和非線性特征比較明顯，傳統(tǒng)的控制方法如PID控制，對控制參數(shù)不易實現(xiàn)在線調(diào)節(jié)，自動調(diào)節(jié)能力較差。如果引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論可很好地解決上述問題[3]。因此，本文基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了房間空調(diào)器控制系統(tǒng)。1房間空調(diào)器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)本文設(shè)計的房間空調(diào)器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)如圖1所示。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性映射能力，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器期望能夠通過四個環(huán)境參數(shù)量，直接得出三個控制量的值。用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的實際輸出與訓(xùn)練部分的輸出之間的誤差對網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練，網(wǎng)絡(luò)通過學(xué)習后能直接反映環(huán)境參數(shù)與控制量之間的映射關(guān)系。圖1房間空調(diào)器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器訓(xùn)練好之后，整個網(wǎng)絡(luò)的控制就相當于一種開環(huán)控制，而且沒有誤差，能夠比其他控制方法有更好的效果。1.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)熱舒適評判模型[4]神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)熱舒適評判模型既充分考慮了環(huán)境影響因素，又完全適用于每一個個體的熱舒適感覺，因此將其作為房間空調(diào)器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)訓(xùn)練部分的核心。該評判模型的輸入?yún)?shù)選為4個，即空氣溫度、空氣濕度、空氣流動速度和壁面平均輻射溫度。該評判模型的輸出參數(shù)取為1個，用來表征室內(nèi)的熱舒適程度，該參數(shù)能達到3種不同的值：0，0.5和1。其中0.5表示舒適，0表示偏冷，1表示偏暖。這里沒有根據(jù)P.O.Fanger對人體熱感覺7個級別的劃分，是因為這里期望建立的是一個適合于任何個體的熱舒適范圍的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評判模型，而且就單個個體來說，他也沒必要分清楚到底是涼還是稍涼，暖還是稍暖。所以，這里將評價集定為3個元素。當然，實際BP網(wǎng)絡(luò)輸出只能接近這3數(shù)值，故需要神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在通過對樣本的學(xué)習后，能夠輸出規(guī)定誤差范圍以內(nèi)的值。例如，輸出0.99表示系統(tǒng)評判該環(huán)境為偏暖，輸出0.51表示系統(tǒng)評判該環(huán)境為舒適。由模型的輸出參數(shù)（1個）和輸入?yún)?shù)（4個），選定隱層節(jié)點數(shù)為5個。該模型如圖2所示。圖2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)熱舒適評判模型1.2以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)熱舒適評判模型為核心的訓(xùn)練部分圖1中的訓(xùn)練部分（TrainingPart）直接向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器（NNController）提供控制參數(shù)，其給出的控制參數(shù)的好壞將很大程度上決定室內(nèi)環(huán)境的熱舒適程度。因此，該訓(xùn)練部分以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)熱舒適評判模型為核心，讓其根據(jù)四個環(huán)境參數(shù)（空氣溫度、空氣濕度、空氣流動速度和壁面平均輻射溫度）和室內(nèi)人員的主觀感覺，對室內(nèi)人員的舒適區(qū)域進行學(xué)習，再以得出的室內(nèi)人員的舒適區(qū)域為控制依據(jù)，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能控制模塊來調(diào)節(jié)影響室內(nèi)居住環(huán)境的四個環(huán)境參數(shù)。這樣，室內(nèi)空調(diào)環(huán)境將很好地滿足個人熱舒適要求，可稱之為“個性化空調(diào)”。圖3為該訓(xùn)練部分的詳細結(jié)構(gòu)。通過傳感器測得四個環(huán)境參數(shù)，輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)熱舒適評判模塊中，模塊的輸出值表示模塊判斷得出的舒適程度，其值在0～1之間。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程中，賦予這個輸出值以實際的意義，“0.5”表示舒適，“0＋”表示偏冷，“1－”表示偏暖，其中為模塊設(shè)定誤差。該模塊輸出值與空調(diào)器預(yù)先設(shè)定值0.5比較，得到偏差1。信號1為室內(nèi)人員的實際舒適狀況，即房間“主人”的輸入?？稍趥€性化空調(diào)的用戶遙控器上另設(shè)“舒適”、“偏熱”和“偏冷”三個鍵，用戶只需選擇其對房間空調(diào)環(huán)境的感覺是“舒適”、“偏熱”、還是“偏冷”即可，而不必考慮具體怎樣調(diào)節(jié)各個參數(shù)。信號1相應(yīng)地只有三個值：0、0.5和1，分別代表偏冷，舒適和偏熱。信號1與給定值0.5之間的差值為偏差2。偏差1與偏差2輸入到舒適選擇器里，該器件實現(xiàn)一種類試觸發(fā)器的功能：在室內(nèi)人員沒有給出信號1的時候，即在沒有偏差2的時候，它的輸出等于偏差1，這種情況應(yīng)該占大多數(shù)時間，因為大多數(shù)時間舒適狀況應(yīng)該由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)熱舒適評判模塊來判斷。然而在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)沒有完全學(xué)習到“主人”的熱舒適區(qū)域或“主人”的舒適區(qū)域有波動的時候，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)熱舒適評判模塊的輸出與“主人”的實際感覺可能有誤差，這時候系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)結(jié)果并不能代表“主人”的主觀意愿，那么他只需通過遙控板輸入信號1，此時舒適選擇器的輸出等于偏差2，偏差1不起作用。柄室內(nèi)人員輸入弟信糕號蠅1地時，信梯號丟1爭的值與神經(jīng)網(wǎng)臂絡(luò)熱舒適評判兵模塊輸出值之節(jié)間的差值為偏鍋差艇3艙，偏郵差姻3釘返回到熱舒適翻評判模塊中的參神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)做權(quán)洪值修正，進行荒自學(xué)習，以使侍其能夠更好地捧判密斷純“獎主壩人出”培的舒適區(qū)。壇傳感器傳來的沒四個關(guān)于環(huán)境擠參數(shù)的信號輸伸入到一個寄存香器中。該寄存紛器的目的是寄戶存最近一次滿秘足室內(nèi)人員舒圍適感覺的環(huán)境喚信號，因此寄方存指令由舒適基選擇器的輸出勤值給出。當這彼個輸出值表辭示干“芒舒弦適級”馳時，寄存器就敘存下該時刻的橡四個環(huán)境信號偽，并輸出到輸期出端。豆四個關(guān)于環(huán)境依參數(shù)的信號同攪時與寄存器的厘輸出相減，得錢到四個偏差信順號（偏造差鐵4鴉－梢7庫），然后輸入只到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智粒能控制模塊中跪。這四個偏差抬值分別表示當陣前四個環(huán)境參掌數(shù)與最近一次誼令室內(nèi)人員舒碎適的四個環(huán)境獄參數(shù)之間的差帶。這里之所以孩不直接用四個考環(huán)境參數(shù)測量張值作為輸入，鄭而用它們與最菌近一次舒適狀賺態(tài)的環(huán)境參數(shù)懲值之差，是為修了考慮個體的脾差異因素，并非簡化控制。因月為如果直接用鋼四個環(huán)境參數(shù)思測量值作為輸垂入的話，對于繡每套空調(diào)器，榴都需要以其用享戶的舒適狀況攪為依據(jù)來設(shè)計腫控制原則，而忽用差值的話，疤只需要根據(jù)偏蝴差的大小來設(shè)獨定控制原則，魄這是可以統(tǒng)一肅制定的。脅最后，神經(jīng)網(wǎng)航絡(luò)智能控制模豐塊根據(jù)傳感器姿傳來的偏差信購號，采用合適愛的控制算法，綿得出合適的壓誼縮機頻率、電箭子膨脹閥的開千度與風機風速共，并對其進行趨調(diào)節(jié)。錯1.3世泄智能控制模塊為壓縮機的頻率獻是由空氣溫度追偏差、空氣溫衡度偏差變化率餡、濕度偏差、恢風速偏差、平予均輻射溫度偏妨差和舒適感覺涂這六個參數(shù)輸刊入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)投中得到的網(wǎng)絡(luò)狡輸出值。需要堂說明的是，空貫氣溫度偏差、鞏濕度偏差、風蛇速偏差和平均藍輻射溫度偏差貧為當前空氣溫授度、濕度、風表速和平均輻射淡溫度這四個環(huán)炮境參數(shù)值與最演近一次室內(nèi)人兄員舒適狀態(tài)的限環(huán)境參數(shù)值之違差?？諝鉁囟雀蛊钭兓识úx為一個采樣浪間隔內(nèi)空氣溫插度偏差的差值炎，風速和風速著偏差指的也不選是風機轉(zhuǎn)速或輪者空調(diào)出風口偶處風速，而是哨室內(nèi)人員處的匯風速，由風速姿傳感器測得。桂六個輸入?yún)?shù)巷輸入到神經(jīng)網(wǎng)螞絡(luò)中，神經(jīng)網(wǎng)虜絡(luò)輸出壓縮機補頻率值；這里非的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可矛以采用一個三臥層前饋網(wǎng)絡(luò)，瘋各層間采澡用兼S灶型激活函數(shù)。蟻神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的希府望輸出一般由宰人工調(diào)節(jié)經(jīng)驗段和實驗法來確肢定，根據(jù)希望代輸出與神經(jīng)網(wǎng)旅絡(luò)的實際輸出樂的偏差來修正號權(quán)值。實際應(yīng)幫用中的這部分漏神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不需襯要具有在線學(xué)鄙習功能，預(yù)先玩用一個能夠模妨擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自還學(xué)習的仿真器斜來確定網(wǎng)絡(luò)的區(qū)權(quán)值，權(quán)值確漁定后就無需再太改變了。顛風機的轉(zhuǎn)速大請小由運算法怠則激1棉確定，運算法捉則燦1絞綜合考慮壓縮稍機頻率、舒適炒感覺和風速偏候差，這樣不但容能使風量與壓浪縮機功率匹配埋，而且能使風償速滿足室內(nèi)人昨員的舒適感覺舊。擺電子膨脹閥的缸開度一般根據(jù)演過熱度偏差和疤過熱度偏差變?nèi)谢蕘頉Q定，踩在運算法考則受2狹中加入壓縮機斑頻率和舒適感金覺的因素同樣插是為了達到制爸冷劑流量和壓寫縮機功率匹配武，以及室內(nèi)人更員熱舒適的要肉求。2結(jié)論勢以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理據(jù)論為基礎(chǔ)，綜繞合考慮影響室忠內(nèi)人員熱舒適鹿的各種環(huán)境因注素，建立的房巖間空調(diào)器的控銜制系統(tǒng)，將比諒單純以溫度為警控制參數(shù)的傳仍統(tǒng)控制方法更渴能滿足室內(nèi)人餡員的舒適性和瘡健康性要求，穩(wěn)可達到創(chuàng)造良健好舒適的室內(nèi)丈環(huán)境的目的。參考文獻由1妻陳芝久幣等輝.拼保制冷裝置自動療化曲.短槍北野京梳,畏夸機械工業(yè)出版呆社婦,1997榜2POF綱anger.征Therm尚alcomf梢ort抽梅—岔Analy絞sisan專dappl期icatio味nine習nviron公mental犁engine召ering.狂卷Copenh隸agen榮,Da