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(mǎn)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(guò)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(xiàn)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(xiàn)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(wèn)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(xiàn)性映射能力，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器期望能夠通過(guò)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(guò)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(kāi)環(huán)控制，而且沒(méi)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(jué)，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(méi)有根據(jù)P.O.Fanger對(duì)人體熱感覺(jué)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(méi)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(guò)對(duì)樣本的學(xué)習(xí)后，能夠輸出規(guī)定誤差范圍以?xún)?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(jué)，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(mǎn)足個(gè)人熱舒適要求，可稱(chēng)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(guò)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(guò)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(hù)遙控器上另設(shè)“舒適”、“偏熱”和“偏冷”三個(gè)鍵，用戶(hù)只需選擇其對(duì)房間空調(diào)環(huán)境的感覺(jué)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(lèi)試觸發(fā)器的功能：在室內(nèi)人員沒(méi)有給出信號(hào)1的時(shí)候，即在沒(méi)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(méi)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(jué)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(guò)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。柄室內(nèi)人員輸入弟信糕號(hào)蠅1地時(shí)，信梯號(hào)丟1爭(zhēng)的值與神經(jīng)網(wǎng)臂絡(luò)熱舒適評(píng)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(píng)判模塊中的參神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)做權(quán)洪值修正，進(jìn)行荒自學(xué)習(xí)，以使侍其能夠更好地捧判密斷純“獎(jiǎng)主壩人出”培的舒適區(qū)。壇傳感器傳來(lái)的沒(méi)四個(gè)關(guān)于環(huán)境擠參數(shù)的信號(hào)輸伸入到一個(gè)寄存香器中。該寄存紛器的目的是寄戶(hù)存最近一次滿(mǎn)秘足室內(nèi)人員舒圍適感覺(jué)的環(huán)境喚信號(hào)，因此寄方存指令由舒適基選擇器的輸出勤值給出。當(dāng)這彼個(gè)輸出值表辭示干“芒舒弦適級(jí)”馳時(shí)，寄存器就敘存下該時(shí)刻的橡四個(gè)環(huán)境信號(hào)偽，并輸出到輸期出端。豆四個(gè)關(guān)于環(huán)境依參數(shù)的信號(hào)同攪時(shí)與寄存器的厘輸出相減，得錢(qián)到四個(gè)偏差信順號(hào)（偏造差鐵4鴉－梢7庫(kù)），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(gè)偏差抬值分別表示當(dāng)陣前四個(gè)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(gè)環(huán)境獄參數(shù)之間的差帶。這里之所以孩不直接用四個(gè)考環(huán)境參數(shù)測(cè)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(gè)體的脾差異因素，并非簡(jiǎn)化控制。因月為如果直接用鋼四個(gè)環(huán)境參數(shù)思測(cè)量值作為輸垂入的話(huà)，對(duì)于繡每套空調(diào)器，榴都需要以其用享戶(hù)的舒適狀況攪為依據(jù)來(lái)設(shè)計(jì)腫控制原則，而忽用差值的話(huà)，疤只需要根據(jù)偏蝴差的大小來(lái)設(shè)獨(dú)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(lái)的偏差信購(gòu)號(hào)，采用合適愛(ài)的控制算法，綿得出合適的壓誼縮機(jī)頻率、電箭子膨脹閥的開(kāi)千度與風(fēng)機(jī)風(fēng)速共，并對(duì)其進(jìn)行趨調(diào)節(jié)。錯(cuò)1.3世泄智能控制模塊為壓縮機(jī)的頻率獻(xiàn)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(fēng)速偏差、平予均輻射溫度偏妨差和舒適感覺(jué)涂這六個(gè)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(shuō)明的是，空貫氣溫度偏差、鞏濕度偏差、風(fēng)蛇速偏差和平均藍(lán)輻射溫度偏差貧為當(dāng)前空氣溫授度、濕度、風(fēng)表速和平均輻射淡溫度這四個(gè)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(gè)采樣浪間隔內(nèi)空氣溫插度偏差的差值炎，風(fēng)速和風(fēng)速著偏差指的也不選是風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速或輪者空調(diào)出風(fēng)口偶處風(fēng)速，而是哨室內(nèi)人員處的匯風(fēng)速，由風(fēng)速姿傳感器測(cè)得。桂六個(gè)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(jī)補(bǔ)頻率值；這里非的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可矛以采用一個(gè)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(yàn)段和實(shí)驗(yàn)法來(lái)確肢定，根據(jù)希望代輸出與神經(jīng)網(wǎng)旅絡(luò)的實(shí)際輸出樂(lè)的偏差來(lái)修正號(hào)權(quán)值。實(shí)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(xiàn)學(xué)鄙習(xí)功能，預(yù)先玩用一個(gè)能夠模妨擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自還學(xué)習(xí)的仿真器斜來(lái)確定網(wǎng)絡(luò)的區(qū)權(quán)值，權(quán)值確漁定后就無(wú)需再太改變了。顛風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速大請(qǐng)小由運(yùn)算法怠則激1棉確定，運(yùn)算法捉則燦1絞綜合考慮壓縮稍機(jī)頻率、舒適炒感覺(jué)和風(fēng)速偏候差，這樣不但容能使風(fēng)量與壓浪縮機(jī)功率匹配埋，而且能使風(fēng)償速滿(mǎn)足室內(nèi)人昨員的舒適感覺(jué)舊。擺電子膨脹閥的缸開(kāi)度一般根據(jù)演過(guò)熱度偏差和疤過(guò)熱度偏差變?nèi)谢蕘?lái)決定，踩在運(yùn)算法考則受2狹中加入壓縮機(jī)斑頻率和舒適感金覺(jué)的因素同樣插是為了達(dá)到制爸冷劑流量和壓寫(xiě)縮機(jī)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(shì)以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理?yè)?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(mǎn)足室內(nèi)人餡員的舒適性和瘡健康性要求，穩(wěn)可達(dá)到創(chuàng)造良健好舒適的室內(nèi)丈環(huán)境的目的。參考文獻(xiàn)由1妻陳芝久幣等輝.拼保制冷裝置自動(dòng)療化曲.短槍北野京梳,畏夸機(jī)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(zhuān)dappl期icatio味nine習(xí)nviron公mental犁engine召ering.狂卷Copenh隸agen榮,Da