本发明属于自动化控制，尤其涉及智能建筑能源管理系统的双稳态分布式区域协同控制方法。
背景技术：
1、随着全球能源危机的加剧和环境保护意识的提升，智能建筑作为节能减排的重要途径，越来越受到重视。智能建筑能源管理系统(intelligent building energymanagement system,ibems)通过集成和优化建筑内的能源使用，实现对暖通空调、照明、电梯等高能耗设备的智能监控和控制，以达到节能和提升舒适度的目的。近年来，随着建筑智能化与能源管理技术的快速发展，智能建筑能源管理系统(ibems)已成为实现建筑能效提升、用户舒适度优化及环境可持续性目标的关键手段。
2、传统的能源管理系统往往针对单一平衡点进行设计，由于建筑内部环境的复杂性、用户需求的多样性以及外部环境因素的影响，系统往往呈现出多平衡点特性。例如，空调系统在满足室内温湿度舒适度要求的前提下，可能根据季节、天气、日照、建筑物热惯性、室内热源分布等多种因素，选择不同的运行模式(如制冷、制热、除湿、通风等)和设定值，形成多个稳定的能耗平衡点。同样，照明系统、电梯系统、热水供应系统等其他子系统也会根据各自的使用规律、节能策略和外界条件变化，呈现多平衡状态。这就要求系统能够适应多种稳定状态，实现灵活的能源分配和调节。传统pid控制在处理这类多平衡点系统时，可能由于无法有效识别和应对系统的多模态行为，导致能源管理效率低下、舒适度不达标或设备过度磨损等问题，这限制了其在复杂系统中的应用。
技术实现思路
1、本发明引入了先进的状态观测与辨识方法，能够实时、精确地识别系统当前所处的平衡状态，并快速响应外部条件变化，使系统能够平稳过渡到不同的平衡状态。这一能力对于应对建筑能源系统多模态行为至关重要，确保系统始终能够适应不断变化的内外部条件。此外，观测器增益矩阵的设计采用了矩阵分解技术。这种技术能够优化观测器的动态响应，增强其对系统状态变化的敏感度和抗干扰能力，特别是在多平衡点之间切换时，能够快速、准确地跟踪系统状态的转变。通过精心设计增益矩阵，确保观测器在各种工况下都能够提供高质量的系统状态估计，这对于实现精准的能源管理至关重要。
2、传统的pid控制协议在智能建筑能源管理系统中被广泛应用，因为其能够提供良好的控制性能和鲁棒性。但传统的pid控制协议往往难以处理多平衡点系统，在智能建筑中，能源管理系统可能需要在多种能源生成和消耗模式之间切换，每种模式都可以被视为系统的一个平衡点。传统的pid控制协议在处理这种动态变化时可能不足以保持系统的稳定性，特别是在能源供需快速变化的情况下。本发明的双稳态分布式pid控制协议以线性规划的形式设计，确保所有子系统的状态始终处于合理的、非负的范围内。在智能建筑能源管理系统中，这意味着空调温度设定应保持在人体舒适度区间内，照明亮度不应过高或过低，电梯运行应避免频繁启停等。通过线性规划，协议能够协调各子系统的控制动作，使其在满足各自性能约束的同时，共同驱动整个建筑能源系统朝着预设的节能区域运行，如年度能耗预算、绿色建筑认证标准或用户定制的能耗目标。
3、最后，将智能建筑能源管理系统的正性问题与观测器的稳定性问题统一转化为增广系统的区域稳定性问题。这意味着，在设计和实施控制协议时，不仅关注单个子系统的稳定性和性能指标，还考虑了整个建筑能源系统的全局稳定性以及各子系统之间的交互效应。通过对增广系统的区域稳定性进行分析和优化，确保即使在多平衡点间切换或外部扰动影响下，系统仍能保持在预设的节能区域内稳定运行，不会出现过度能耗、舒适度大幅波动或设备过度应力等不良状况。区域协同控制的重要性在于通过预设的节能区域或性能边界，确保所有子系统的状态始终处于合理、非负的范围内，并能协同驱动整个建筑能源系统稳定地运行在预定的目标区域。这种控制方式不仅有利于能源的高效利用，还能有效防止设备过度应力和系统性能退化。
4、基于以上分析，本发明智能建筑能源管理系统的双稳态分布式区域协同控制方法，构建智能建筑能源管理系统中针对多平衡点的双稳态分布式pid控制协议框架；其次，提出一套基于系统状态观测器的区域协同比例-积分-微分控制策略；最后，通过矩阵分解、正李雅普诺夫函数理论及线性规划方法对该系统达成共识的过程进行深入分析。综上，在智能建筑能源管理系统的背景下，双稳态分布式区域协同控制技术是一项关键的创新，旨在提高建筑能源使用效率和系统稳定性。
5、为了达到上述目的，本发明的具体技术方案如下：
6、智能建筑能源管理系统的双稳态分布式区域协同控制方法，包括如下步骤：
7、步骤1、建立智能建筑能源管理系统的正多智能体系统状态空间模型；
8、步骤2、设计智能建筑能源管理系统的正多智能体系统观测器；
9、步骤3、建立智能建筑能源管理系统基于观测器的pid控制协议；
10、步骤4、设计智能建筑能源管理系统平稳运行的条件；
11、步骤5、对智能建筑能源管理系统的正性进行验证；
12、步骤6、对智能建筑能源管理系统的区域一致性进行验证。
13、优选地，步骤1中智能建筑能源管理系统的正多智能体系统状态空间模型的构造，形式如下：
14、
15、
16、其中，分别是表示k时刻建筑内第i系统的能量消耗状态、k时刻智能建筑能源管理第i系统得到的控制信号输入和k时刻智能建筑能源管理第i系统系统状态变量直接感知或读取的数据，i∈1,2,...,n，n分别表示n维、w维、s维矩阵和正整数集，和是智能体的状态和输出平衡点，切换信号σ(k)在中取值，在j个多智能系统之间执行切换且每个多智能体系统具有n个智能体，已知的系统矩阵满足aσ(k)＞0,bσ(k)＞0和cσ(k)＞0。
17、优选地，步骤2设计智能建筑能源管理系统的正多智能体系统观测器，其设计形式如下：
18、构建基于观测器的pid区域共识，智能建筑能源管理系统的正多智能体系统观测器被设计为：
19、
20、
21、其中，分别是第i个观测器的状态、输入和输出，是观测器增益矩阵，为误差信号，可重写为：
22、si(k+1)＝(aσ(k)-gσ(k)cσ(k))si(k)。
23、优选地，步骤3中建立智能建筑能源管理系统基于观测器的pid控制协议，其构建形式如下：
24、
25、其中，kσ(k),hσ(k),fσ(k)和mσ(k)分别是要设计的增益矩阵，a(σ(k))是一个与智能体间切换信号有关的通信拓扑相关的常数，若第i个智能体与第j个智能体可以通信，则否则，其维数与多智能体系统中智能体的个数相关；
26、是pid控制协议的组成部分。
27、优选地，步骤4中的设计智能建筑能源管理系统平稳运行的条件，其构建方法如下：设计常数0＜δ≤1,0＜ρ＜1,λ＞1,向量和向量使得
28、
29、
30、
31、
32、
33、
34、
35、
36、
37、
38、
39、
40、为了书写方便，切换信号σ(k)记为p，对任意和成立，那么，在步骤3中的基于观测器的pid控制协议下，所述的智能建筑能源管理系统实现了正性和一致性，增益矩阵为：
41、
42、且满足
43、
44、其中，τ*为平均驻留时间且满足1w表示所有元素均为1的w维列向量，表示第ι个元素为1其余元素为0的w维的列向量，1n表示所有元素均为1的n维列向量，表示第ι个元素为1其余元素为0的n维的列向量，表示所有元素均为1的n维行向量，0表示所有元素均为0的向量或矩阵，ap＞0,bp＞0和cp＞0是已知的系统矩阵，a(p)是一个与智能体间切换信号有关的通信拓扑相关的常数，若第个智能体与第j个智能体可以通信，则否则，其维数与多智能体系统中智能体的个数相关，向量是拉普拉斯矩阵的零特征值对应的左特征向量，其中rp≥1n，向量中的上标+表示该向量的所有元素都是正的，向量中的上标-表示该向量的所有元素都是负的。
45、优选地，步骤5中对智能建筑能源管理系统的正性进行验证，其构建形式如下：
46、步骤5.1令
47、
48、
49、根据步骤1中建立的智能建筑能源管理系统的状态空间模型和步骤3中的基于观测器的pid控制协议下，可以得到
50、
51、
52、
53、其中，是一个克罗内克积运算符，in和is分别是n×n维和s×s维的单位矩阵，
54、步骤5.2令由步骤5.1可以得到
55、
56、其中，
57、步骤5.3由步骤4中的条件(11)、(12)和(14)可得：
58、
59、由步骤4中的条件(1)、(2)可得
60、ap-gpcp≥0,gpcp≥0，
61、通过可得：
62、
63、由步骤4中的条件(14)可以确定如下不等式：
64、
65、
66、由步骤4中的条件(3)和(4)得到：
67、
68、鉴于步骤4中的条件(5)和(6)，我们有bpfp≥0,-bpmp≥0，通过rp≥1n,得到由ap-gpcp≥0，表明故，智能建筑能源管理系统是正的。
69、优选地，步骤6中对智能建筑能源管理系统的区域一致性进行验证，其构建形式如下：
70、步骤6.1定义那么，
71、通过条件进而
72、
73、通过可以得到：
74、
75、由步骤6.1中的条件(15)和(16)可以推出：
76、
77、步骤6.2定义那么有：
78、
79、其中，
80、
81、因此，系统(18)是正的，
82、步骤6.3选择线性余正lyapunov函数
83、其中，的差分为：
84、
85、其中，
86、
87、且
88、
89、由步骤4中的条件(14)进而可得：
90、
91、步骤6.4通过组合(19)，(20)和(7)-(10)，可以推出：
92、
93、其中，因此，vp(k+1)≤ρvp(k)+γ，任意选择一个开关序列：0≤k0≤k1≤…,k∈[km,km+1),m∈n，由步骤4中的条件(12)进而有：
94、
95、考虑到条件λ＞1，关系式(21)可以变换为：
96、
97、令其中，φpi是φp的第i个元素，根据vσ(k)(k)的定义，可以得到结合(22)式，则可以建立：
98、
99、进而
100、
101、其中，
102、因此，智能建筑能源管理系统的是区域一致性的，即在设计和实施控制系统时，系统能够确保建筑内所有相关能源子系统在满足各自功能需求的同时，其运行状态能够协同一致，达到整体优化的效果。
103、基于上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明方法首先利用正多智能体系统建立智能建筑能源管理系统的状态空间模型。在系统的多个子系统或区域内，实现能源使用和管理的协调和同步。这意味着不同区域的能源需求、供应和控制策略能够相互配合，以优化整体能源效率和满足建筑内部的舒适度要求。区域一致性确保了即使在面对多平衡点和系统动态变化时，系统仍能维持在一个高效和稳定的运行状态。
104、通过提出了一种基于luenberger观测器和多个平衡点构造的双稳态分布式pid控制协议。该协议以线性规划的形式设计，能够确保所有代理人的状态非负，并驱动到一个特定的区域。实现了智能体状态的有效管理与精准控制，确保了系统在多平衡点间的平滑过渡与稳定运行，对于提升智能建筑能源利用效率、保障用户舒适度、延长设备寿命以及推动建筑可持续发展具有显著的应用价值与广阔前景。
1.智能建筑能源管理系统的双稳态分布式区域协同控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的智能建筑能源管理系统的双稳态分布式区域协同控制方法，其特征在于，步骤1中智能建筑能源管理系统的正多智能体系统状态空间模型的构造，形式如下：
3.根据权利要求2所述的智能建筑能源管理系统的双稳态分布式区域协同控制方法，其特征在于，步骤2设计智能建筑能源管理系统的正多智能体系统观测器，其设计形式如下：
4.根据权利要求3所述的智能建筑能源管理系统的双稳态分布式区域协同控制方法，其特征在于，步骤3中建立智能建筑能源管理系统基于观测器的pid控制协议，其构建形式如下：
5.根据权利要求4所述的智能建筑能源管理系统的双稳态分布式区域协同控制方法，其特征在于，步骤4中的设计智能建筑能源管理系统平稳运行的条件，其构建方法如下：
6.根据权利要求5所述的智能建筑能源管理系统的双稳态分布式区域协同控制方法，其特征在于，步骤5中对智能建筑能源管理系统的正性进行验证，其构建形式如下：
7.根据权利要求6所述的智能建筑能源管理系统的双稳态分布式区域协同控制方法，其特征在于，步骤6中对智能建筑能源管理系统的区域一致性进行验证，
