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(dá)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(lái)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(jī)的變頻調(diào)節(jié)和風(fēng)機(jī)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(lái)調(diào)節(jié)影響室內(nèi)環(huán)境的眾多因素，在達(dá)到使室內(nèi)人員熱舒適的同時(shí)，又能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)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(gè)影響室內(nèi)環(huán)境的重要因素[2]；另外因?yàn)榭照{(diào)系統(tǒng)的控制對(duì)象的隨機(jī)、時(shí)變、時(shí)滯、和非線性特征比較明顯，傳統(tǒng)的控制方法如PID控制，對(duì)控制參數(shù)不易實(shí)現(xiàn)在線調(diào)節(jié)，自動(dòng)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(jì)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(gè)環(huán)境參數(shù)量，直接得出三個(gè)控制量的值。用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的實(shí)際輸出與訓(xùn)練部分的輸出之間的誤差對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，網(wǎng)絡(luò)通過學(xué)習(xí)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(gè)網(wǎng)絡(luò)的控制就相當(dāng)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(píng)判模型[4]神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)熱舒適評(píng)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(gè)個(gè)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(píng)判模型的輸入?yún)?shù)選為4個(gè)，即空氣溫度、空氣濕度、空氣流動(dòng)速度和壁面平均輻射溫度。該評(píng)判模型的輸出參數(shù)取為1個(gè)，用來(lái)表征室內(nèi)的熱舒適程度，該參數(shù)能達(dá)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(duì)人體熱感覺7個(gè)級(jí)別的劃分，是因?yàn)檫@里期望建立的是一個(gè)適合于任何個(gè)體的熱舒適范圍的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)判模型，而且就單個(gè)個(gè)體來(lái)說(shuō)，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(píng)價(jià)集定為3個(gè)元素。當(dāng)然，實(shí)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(duì)樣本的學(xué)習(xí)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(píng)判該環(huán)境為偏暖，輸出0.51表示系統(tǒng)評(píng)判該環(huán)境為舒適。由模型的輸出參數(shù)（1個(gè)）和輸入?yún)?shù)（4個(gè)），選定隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)為5個(gè)。該模型如圖2所示。圖2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)熱舒適評(píng)判模型1.2以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)熱舒適評(píng)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(píng)判模型為核心，讓其根據(jù)四個(gè)環(huán)境參數(shù)（空氣溫度、空氣濕度、空氣流動(dòng)速度和壁面平均輻射溫度）和室內(nèi)人員的主觀感覺，對(duì)室內(nèi)人員的舒適區(qū)域進(jìn)行學(xué)習(xí)，再以得出的室內(nèi)人員的舒適區(qū)域?yàn)榭刂埔罁?jù)，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能控制模塊來(lái)調(diào)節(jié)影響室內(nèi)居住環(huán)境的四個(gè)環(huán)境參數(shù)。這樣，室內(nèi)空調(diào)環(huán)境將很好地滿足個(gè)人熱舒適要求，可稱之為“個(gè)性化空調(diào)”。圖3為該訓(xùn)練部分的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。通過傳感器測(cè)得四個(gè)環(huán)境參數(shù)，輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)熱舒適評(píng)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(gè)輸出值以實(shí)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(hào)1為室內(nèi)人員的實(shí)際舒適狀況，即房間“主人”的輸入?？稍趥€(gè)性化空調(diào)的用戶遙控器上另設(shè)“舒適”、“偏熱”和“偏冷”三個(gè)鍵，用戶只需選擇其對(duì)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(gè)參數(shù)。信號(hào)1相應(yīng)地只有三個(gè)值：0、0.5和1，分別代表偏冷，舒適和偏熱。信號(hào)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(shí)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(hào)1的時(shí)候，即在沒有偏差2的時(shí)候，它的輸出等于偏差1，這種情況應(yīng)該占大多數(shù)時(shí)間，因?yàn)榇蠖鄶?shù)時(shí)間舒適狀況應(yīng)該由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)熱舒適評(píng)判模塊來(lái)判斷。然而在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)沒有完全學(xué)習(xí)到“主人”的熱舒適區(qū)域或“主人”的舒適區(qū)域有波動(dòng)的時(shí)候，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)熱舒適評(píng)判模塊的輸出與“主人”的實(shí)際感覺可能有誤差，這時(shí)候系統(tǒng)的自動(dòng)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(hào)1，此時(shí)舒適選擇器的輸出等于偏差2，偏差1不起作用。室內(nèi)人員輸入信號(hào)1時(shí)，信號(hào)1的值與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)熱舒適評(píng)判模塊輸出值之間的差值為偏差3，偏差3返回到熱舒適評(píng)判模塊中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)做權(quán)值修正，進(jìn)行自學(xué)習(xí)，以使其能夠更好地判斷“主人”的舒適區(qū)。傳感器傳來(lái)的四個(gè)關(guān)于環(huán)境參數(shù)的信號(hào)輸入到一個(gè)寄存器中。該寄存器的目的是寄存最近一次滿足室內(nèi)人員舒適感覺的環(huán)境信號(hào)，因此寄存指令由舒適選擇器的輸出值給出。當(dāng)這個(gè)輸出值表示“舒適”時(shí)，寄存器就存下該時(shí)刻的四個(gè)環(huán)境信號(hào)，并輸出到輸出端。四個(gè)關(guān)于環(huán)境參數(shù)的信號(hào)同時(shí)與寄存器的輸出相減，得到四個(gè)偏差信號(hào)（偏差4－7），然后輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能控制模塊中。這四個(gè)偏差值分別表示當(dāng)前四個(gè)環(huán)境參數(shù)與最近一次令室內(nèi)人員舒適的四個(gè)環(huán)境參數(shù)之間的差。這里之所以不直接用四個(gè)環(huán)境參數(shù)測(cè)量值作為輸入，而用它們與最近一次舒適狀態(tài)的環(huán)境參數(shù)值之差，是為了考慮個(gè)體的差異因素，并簡(jiǎn)化控制。因?yàn)槿绻苯佑盟膫€(gè)環(huán)境參數(shù)測(cè)量值作為輸入的話，對(duì)于每套空調(diào)器，都需要以其用戶的舒適狀況為依據(jù)來(lái)設(shè)計(jì)控制原則，而用差值的話，只需要根據(jù)偏差的大小來(lái)設(shè)定控制原則，這是可以統(tǒng)一制定的。最后，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能控制模塊根據(jù)傳感器傳來(lái)的偏差信號(hào)，采用合適的控制算法，得出合適的壓縮機(jī)頻率、電子膨脹閥的開度與風(fēng)機(jī)風(fēng)速，并對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)。1.3智能控制模塊壓縮機(jī)的頻率是由空氣溫度偏差、空氣溫度偏差變化率、濕度偏差、風(fēng)速偏差、平均輻射溫度偏差和舒適感覺這六個(gè)參數(shù)輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中得到的網(wǎng)絡(luò)輸出值。需要說(shuō)明的是，空氣溫度偏差、濕度偏差、風(fēng)速偏差和平均輻射溫度偏差為當(dāng)前空氣溫度、濕度、風(fēng)速和平均輻射溫度這四個(gè)環(huán)境參數(shù)值與最近一次室內(nèi)人員舒適狀態(tài)的環(huán)境參數(shù)值之差?？諝鉁囟绕钭兓识x為一個(gè)采樣間隔內(nèi)空氣溫度偏差的差值，風(fēng)速和風(fēng)速偏差指的也不是風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速或者空調(diào)出風(fēng)口處風(fēng)速，而是室內(nèi)人員處的風(fēng)速，由風(fēng)速傳感器測(cè)得。六個(gè)輸入?yún)?shù)輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出壓縮機(jī)頻率值；這里的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以采用一個(gè)三層前饋網(wǎng)絡(luò)，各層間采用S型激活函數(shù)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的希望輸出一般由人工調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)法來(lái)確定，根據(jù)希望輸出與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際輸出的偏差來(lái)修正權(quán)值。實(shí)際應(yīng)用中的這部分神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不需要具有在線學(xué)習(xí)功能，預(yù)先用一個(gè)能夠模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)的仿真器來(lái)確定網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值，權(quán)值確定后就無(wú)需再改變了。風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速大小由運(yùn)算法則1確定，運(yùn)算法則1綜合考慮壓縮機(jī)頻率、舒適感覺和風(fēng)速偏差，這樣不但能使風(fēng)量與壓縮機(jī)功率匹配，而且能使風(fēng)速滿足室內(nèi)人員的舒適感覺。電子膨脹閥的開度一般根據(jù)過熱度偏差和過熱度偏差變化率來(lái)決定，在運(yùn)算法則2中加入壓縮機(jī)頻率和舒適感覺的因素同樣是為了達(dá)到制冷劑流量和壓縮機(jī)功率匹配，以及室內(nèi)人員熱舒適的要求。2結(jié)論以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論為基礎(chǔ)，綜合考慮影響室內(nèi)人員熱舒適的各種環(huán)境因素，建立的房間空調(diào)器的控制系統(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(dá)到創(chuàng)造良好舒適的室內(nèi)環(huán)境的目的。參考文獻(xiàn)1陳芝久等.制冷裝置自動(dòng)化.北京,機(jī)械工業(yè)出版社,19972POFanger.Thermalcomfort—Analysisandapplicationinenvironme