空调系统多故障诊断及其容错效率研究

按照项目计划书的研究计划，本项目主要开展了以下几方面的研究工作： 1） 2011年度：对实际中央空调系统进行了调研，特别是针对其核心环节（冷水机组和空调箱）的运行、控制、故障及能耗状况进行了调研，为理论研究提供依据。结合调研情况，一方面以传感器、控制器和执行器为研究对象，对此类研究对象发生故障（称为软故障）后对空调系统的影响进行分析，另一方面，对系统及设备的硬故障及其与前述软故障耦合对系统运行与能耗的影响进行了理论分析。在此基础上，对空调系统软硬故障的控制特性进行了研究。 2） 2012年度：针对空调系统难以完全真实模拟的特性，提出了虚拟建筑结合实物控制系统的研究思想。搭建了建筑空调系统半实物混合仿真实验台，完成了实验台的软硬件测试及系统整体调试等工作。该实验平台可支持研究计划中涉及的软故障及部分硬故障的研究。提出了带小波分析与分形预处理的神经网络故障检测方法、基于聚类与灰箱模型的故障检测方法及基于双神经网络的故障检测方法等。 3） 2013年度：结合上年度提出的研究方法及理论，研究了空调系统故障检测与诊断方法，开展了空调系统的容错效率研究。首先，提出了基于神经网络及聚类分析的故障检测与诊断方法，并将其应用于空调系统多种故障的测试中，效果良好。然后，提出了空调系统几个重要的容错效率指标，针对漏报警率、误报警率以及检测时间进行了研究与验证。 通过三年的研究工作，建立了半实物仿真实验台，发展了基于故障特性的故障检测与诊断方法，评价了不同故障下的诊断及容错效率。从而形成了一套完整的空调系统故障检测、诊断、容错控制与性能评价的方法。 本项目通过三年的研究工作，已完成项目计划内容，基本达到了项目研究目的。在上面介绍的工作基础上，目前已发表SCI国际期刊论文6篇，EI中文论文2篇，参加国际会议2次、国内会议3次，研究成果得到国内外同行的高度关注。 2100433B

对空调系统实施容错控制是为了排除故障、提高运行效率，而运行效率是否提高、提高多少，取决于诊断的能力和容错的效果。如何定量评价空调系统的容错效果？目前仍未见相关报道。本研究从用能效率的角度，探索空调系统容错效果的定量评价机制，并研究针对异常能耗的快速检测逻辑、多故障耦合的诊断及容错方法。首先绘制空调系统的能耗图谱，提取能耗与关键参数的关联特征。采用小波对能耗向量解耦，通过对能耗的高、低频特征进行空间多维标度分析来检测故障。建立了上位级-下位级联合的多故障解耦与诊断模型。对控制失效问题，确定了以相关参数组作为替补被控变量、人工神经网络作为辅助控制方法的容错方案。最后，提出容错效率的概念，定义了基准能耗与控制目标，建立了以热舒适性（控制目标）为约束、能耗为指标的容错效率评估模型。本研究将丰富空调故障诊断的研究内容，为空调容错评价的行业标准制定提供参考，实现空调系统高效运行与节能。

实际空调系统常常由于存在各种传感器的故障而导致能耗浪费、热舒适性下降等问题。目前已有的故障诊断方法对多故障并存的问题往往存在诊断效率低、准确性差，因而难以实现真正的容错、高效的控制，进而影响到系统的用能效率。本研究从空调系统的共性出发，研究空调系统的故障特征，探索基于能耗评估的多故障诊断及容错控制方法。研究主要获得了三方面的进展：第一，提出了基于半实物混合仿真的研究方法，搭建了半实物混合仿真实验台，并验证了该方法用于故障诊断与容错控制研究的有效性与可行性。采用半实物混合仿真的研究方法开展空调系统控制与诊断的研究工作具有真实、简便、高效的特点，在国内外的研究中鲜有先例。第二，基于混合仿真实验台，提出基于分形维数、统计残差与分形维数相结合的空调系统传感器故障诊断方法，并将其应用于空调系统单故障和多故障的传感器故障诊断当中；研究结果表明该方法具有较好的检测效率与诊断能力。最后，提出了基于能耗评估的空调系统容错控制方法，开发了基于ELECTRE的能耗评估方法，用于空调系统运行性能评价，开展了基于空调系统运行性能优化的在线容错控制。本研究提出的基于能耗评估的容错控制是建筑空调故障诊断领域一个新颖的思路，且具有重要的应用价值，在国内外的相关研究中尚属首次。相关的研究成果较好的解决了空调系统的传感器故障检测与诊断问题，涉及到了系统容错控制的前沿领域与难点问题，并给出了合理、可行的解决方案，研究结果丰富并拓展了本领域的研究内容。已发表了6篇SCI国际期刊论文（期刊多为本行业顶级学术刊物），2篇EI论文，参加了2次国际会议（其中一次国际制冷大会为本行业顶级学术会议）、3次国内学术会议，本项目的相关研究成果引起了国内外同行的高度关注。 2100433B

空调系统传感器的故障，特别是对系统能耗影响起关键作用参数的测量传感器的偏差故障较难发现，它们经常会导致能耗浪费。而现有诊断方法对多个软故障并存问题的诊断效率较低，而且准确度很差，难以实现真正的容错控制。本研究试图利用一般空调系统的共有特征，建立一种实用且通用的、以能耗评估为基础的的故障诊断和容错方法。从探索空调系统故障在物理过程、相互关系和控制过程三方面的机理着手，首先对空调系统多故障并存的问题予以有效解耦，并对系统参数的相关性关联进行信息的融合与挖掘，通过参数特征的识别完成多故障并存时的逐一诊断。然后，建立各控制参数的能耗评价因子（方程），最后，基于能耗评估，建立有效的容错控制机制与方法。

变风量空调系统故障引起的能源浪费、热舒适性降低和室内空气品质下降等问题日益严重。针对变风量空调系统故障，本项目研究变风量空调系统故障诊断及容错控制方法。在研究故障检测方法时，考虑数据自相关性、噪声、系统动态性和瞬变过程等因素的不利影响，研究适用于实际系统的变风量空调系统鲁棒故障检测方法，着重于提高故障检测结果的准确性和可靠性。针对故障诊断的关键问题及难点：一个故障征兆可能存在多种潜在的故障原因，综合运用因果分析图、系统分析、主动式故障诊断技术和专家规则等方法，研究适用于实际系统的基于规则的变风量空调系统主动式故障诊断方法。在研究在线容错控制方法时，考虑变风量空调系统的非线性特点，研究传感器故障测量数据在线恢复方法，并开发适用于实际系统的变风量空调系统软故障自纠正方法。本项目将为开发变风量空调系统故障诊断及容错控制系统提供理论依据和技术指导。