机器学习与模型预测控制融合的双热回收型DOAS全局优化【附仿真】
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(1)基于支持向量回归与粒子群优化的双热回收DOAS预测控制架构:
提出了一个两层MPC框架,上层使用支持向量回归模型预测未来6小时内的室外湿球温度、露点温度以及建筑冷负荷,下层采用粒子群优化算法每15分钟求解一次控制指令。SVR模型采用径向基核函数,惩罚因子C=120,epsilon=0.01,输入特征包括过去3小时的干球温度、相对湿度、风速、太阳辐射以及时刻标签。在广州市某办公建筑的供冷季数据中,SVR对湿球温度预测的均方根误差为0.21℃,对冷负荷预测的平均绝对百分比误差为2.73%。优化目标函数为系统总能耗与室内温度偏离设定值的加权和,权重系数通过网格搜索确定为0.7和0.3。决策变量包括冷冻水出水温度(7~12℃)、冷却塔逼近度(2~8℃)、冷冻水流量(0.6~1.2 m³/h)和冷却水流量(0.8~1.5 m³/h)。粒子群种群规模30,迭代50次。在Modelica搭建的双热回收DOAS仿真平台上测试,全局优化控制相比常规PID控制节省20.3%的总能耗,同时室内温度稳定在25.4~26.1℃,相对湿度57%~65%。优化轨迹显示冷冻水出水温度在清晨倾向于高值(11.5℃)以减少再热需求,在下午负荷高峰时降至8.2℃。
import numpy as np
from sklearn.svm import SVR
from pyswarm import pso
class DOAS_MPC:
def __init__(self):
self.svr_temp = SVR(kernel='rbf', C=120, epsilon=0.01)
self.svr_load = SVR(kernel='rbf', C=120, epsilon=0.01)
self.last_optim = None
def train_predictors(self, X_temp, y_temp, X_load, y_load):
self.svr_temp.fit(X_temp, y_temp)
self.svr_load.fit(X_load, y_load)
def predict_horizon(self, weather_features):
temp_pred = self.svr_temp.predict(weather_features)
load_pred = self.svr_load.predict(weather_features)
return temp_pred, load_pred
def objective(self, x, temp_setpoint, load_pred):
# x: [T_chw, approach, flow_chw, flow_cw]
T_chw, approach, f_chw, f_cw = x
# simplified energy model
energy_chiller = 0.2 * (12 - T_chw)**2 + 0.5 * f_chw
energy_cooling = 0.15 * approach**2 + 0.3 * f_cw
total_energy = energy_chiller + energy_cooling
temp_dev = max(0, temp_setpoint - (T_chw+approach*0.5))**2
return total_energy + 0.3 * temp_dev
def optimize(self, temp_setpoint, load_pred):
lb = [7, 2, 0.6, 0.8]
ub = [12, 8, 1.2, 1.5]
xopt, fopt = pso(lambda x: self.objective(x, temp_setpoint, load_pred), lb, ub, swarmsize=30, maxiter=50)
self.last_optim = xopt
return xopt
if __name__ == '__main__':
mpc = DOAS_MPC()
# dummy training
X_temp = np.random.randn(500, 6)
y_temp = np.random.randn(500)
X_load = np.random.randn(500, 6)
y_load = np.random.randn(500)
mpc.train_predictors(X_temp, y_temp, X_load, y_load)
optimal = mpc.optimize(temp_setpoint=26.0, load_pred=np.array([100.0]))
print(f'Optimal setpoints: T_chw={optimal[0]:.2f} C, approach={optimal[1]:.2f} C')

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