一种动态自适应空调控制系统

1.一种动态自适应空调控制系统，包括空调控制电路，其特征在于：还设有用于动态采集人体生理信号的穿戴式终端，所述穿戴式终端包括主控电路以及接入该主控电路的生理信号传感元件，所述生理信号传感元件包括心率传感器和体表温度传感器；
穿戴式终端与空调控制电路之间设有相互匹配的无线传输模块，所述空调控制电路通过无线方式接收来自穿戴式终端的信号并根据空调端控制算法生成对应的空调控制信号；
所述空调控制电路生成空调控制信号的过程包括以a)采集到的心率、b)根据体表温度和环境温度换算得到的散热温差和c)所述散热温差的变化率这三者为输入，通过空调端控制算法获得对应的空调控制信号；
所述空调端控制算法为模糊自适应控制算法，以人体产热和散热保持平衡为目标；心率表征人体产热量程度；散热温差表征人体散热量程度；散热温差变化率表征人体散热量变化的快慢程度；
空调控制信号还受到用户反馈信号的反馈校正。
2.根据权利要求1所述的动态自适应空调控制系统，其特征在于：所述空调控制信号调节空调变频电机的电压、转速或频率。
3.根据权利要求1所述的动态自适应空调控制系统，其特征在于：所述穿戴式终端还具有手动操作模式，所述主控电路上设有用于手动操作的指令输入模块。
4.根据权利要求1所述的动态自适应空调控制系统，其特征在于：所述穿戴式终端上设有用于显示人体生理信号的显示屏。
5.根据权利要求4所述的动态自适应空调控制系统，其特征在于：所述主控电路上设有警报元件，当采集到的心率、体表温度信号不合理时，显示屏亮起警示。
6.根据权利要求1所述的动态自适应空调控制系统，其特征在于：所述主控电路上嵌有电源，用于供电。
7.根据权利要求1至6中任一所述的动态自适应空调控制系统，其特征在于：所述穿戴式终端包括壳体以及设置在壳体上的腕带，各电路元件安装在壳体内或嵌装在壳体表面。

一种动态自适应空调控制系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种空调控制系统，具体地说涉及一种动态自适应空调控制系统。\n背景技术\n[0002] 多年以来,我国公共建筑的空调管理较为粗放,空调温度设置不尽合理,导致能效不高,造成能源资源浪费,增加了环境压力。导致温度设置不合理的原因主要在以下三方面：其一，用户设置温度的行为基于非专家经验，存在盲目性；其二，在接受命令后，空调的运转不能主动跟随用户状态的变化，存在被动性；其三，一般情况下，用户只有在先感受到过冷或过热后，才会去改变设定值，存在滞后性。由此造成空调与使用者之间薄弱的人机交互关系，不仅造成能源浪费，而且造成用户的不舒适。\n[0003] 现有空调系统改进的研究大多局限于空调系统本身的运行性能，如对于压缩机、换热器、进出风路循环等的改进，而对优化人机关系缺乏关注。日前最高水准的空调控制系统是以人体舒适度值PMV为目标设计的。\n[0004] 中国专利文献CN104344501A公开了一种空调器及其控制方法，所述空调器包括：\n参数采集模块，用于采集人群信息、季节信息和人体舒适度相关参数；调用模块，用于根据参数采集模块采集的人群信息、季节信息，调用相应季节下相应人群所对应的热敏感系数a和热感觉特性系数b；计算模块，用于根据参数采集模块采集的人体舒适度相关参数和调用模块调用的系数并依据修订的PMV方程计算；控制模块，控制空调器的工作状态，直至PMV达到最佳值。由于PMV方程涉及的部分参量(如服装热阻、平均辐射温度等)难以测量，限制了实际应用的发展；同时鉴于PMV的计算结果表征为多数人投票的结果，是一种不直接、不完全客观的预估。\n[0005] 中国专利文献CN104235997A公开了一种空调器及其控制方法，所述空调器同样包括用于采集人体心率信息、体表温度信息的穿戴式设备，用于解决室内环境温度分布不均匀的问题，却未关注到人体状态的动态变化而产生的冷热需求的变化；所述的空调控制方法，算法执行基于简单的分级式判断，容易导致较差的鲁棒性。\n发明内容\n[0006] 本发明提供了一种自动适应人体状态动态变化的空调控制系统。\n[0007] 一种动态自适应空调控制系统，包括空调控制电路，还设有用于动态采集人体生理信号的穿戴式终端，所述空调控制电路通过无线方式接收来自穿戴式终端的信号并根据空调端控制算法生成对应的空调控制信号。\n[0008] 本发明通过穿戴式终端周期性采集反映人体状态动态变化的人体生理信号，空调机上的空调控制电路通过无线方式接收信号，基于产热、散热平衡的语言规则转化为空调控制信号，实现从人体生理信号到空调控制信号的多输入、非线性复杂系统的控制。\n[0009] 依据人体热平衡基本原理所述：人体为维持正常的体温，必使产热和散热保持平衡。所述穿戴式终端通过采集人体客观生理信号实现追踪人体状态的动态变化，由此形成的室温调控结果始终处于人体的热舒适区间。\n[0010] 作为优选，所述穿戴式终端包括主控电路以及接入该主控电路的生理信号传感元件，穿戴式终端与空调控制电路之间设有相互匹配的无线传输模块，所述空调端控制算法采用模糊自适应控制算法。\n[0011] 无线传输模块可为蓝牙模块、ZIGBee模块等方式，并没有严格限制，主要是为了满足空调控制系统对信号的短距离传输要求。所述空调端控制算法，采用模糊自适应控制算法，在实施过程中具备自学习能力，即在实施过程中算法能自动调节相关参数，适应个性化的需求，动态地自我优化。作为优选，所述生理信号传感元件包括心率传感器和体表温度传感器。\n[0012] 心率传感器和体表温度传感器基于测量位置调整参数，保证测量准确性。\n[0013] 作为优选，所述空调控制电路生成空调控制信号的过程包括以a)采集到的心率、b)根据体表温度和环境温度换算得到的散热温差、和c)所述散热温差的变化率这三者为输入，通过空调端控制算法获得对应的空调控制信号。\n[0014] 作为优选，所述空调控制信号调节空调变频电机的电压、转速或频率。空调控制电路设有环境温度传感器，用于采集环境温度参数，通过采集到的体表温度和环境温度换算得到散热温差和散热温差变化率。\n[0015] 心率表征人体产热量程度；散热温差表征人体散热量程度；散热温差变化率表征人体散热量变化的快慢程度，形成超前预判；控制电压表征空调机在当前情况下需要调整的工作电压。\n[0016] 在空调控制电路中输入心率、散热温差和散热温差变化率这三个实数域的普通变量，在空调控制电路上的模糊控制器中，输入的普通变量经过模糊量化操作转化为可用于模糊推理的模糊量。\n[0017] 经模糊化的输入模糊量，基于经验规则，实行广义前向推理，获得模糊量结果。通过解模糊过程，将获得的模糊量结果再次转化为普通变量，即控制电压。\n[0018] 作为优选，所述穿戴式终端还具有手动操作模式，所述主控电路上设有用于手动操作的指令输入模块。\n[0019] 引入用户反馈机制，保留用户自主调节温度的能力，提高系统有效性。同时基于反馈，对经验规则进行自适应修正。\n[0020] 作为优选，所述穿戴式终端上设有用于显示人体生理信号的显示屏。\n[0021] 显示器可为LCD显示屏，图像显示清晰，用于显示用户心率和体表温度的数据。\n[0022] 作为优选，所述主控电路上设有警报元件，当采集到的心率、体表温度信号不合理时，亮示警灯。\n[0023] 作为优选，所述主控电路上嵌有电源，用于供电。\n[0024] 作为优选，所述穿戴式终端包括壳体以及设置在壳体上的腕带，各电路元件安装在壳体内或嵌装在壳体表面。\n[0025] 穿戴式终端为腕表造型，佩戴方便，同时不影响参数采集和用户观察显示屏上显示的生理信号。心率传感器通过检测手腕处的脉搏来获得心率数据，体表温度传感器检测手腕处的温度，手腕处的温度一般最能体现人体体表温度，因此获得的数据准确率高。\n[0026] 因此，本发明的动态自适应空调控制系统，实现对用户状态变化的动态追踪，并根据用户人体不同状态下的实际热舒适性状况自动地调控空调的运行状态，确保室温始终处于变化人体的热舒适区间内，使得空调控制系统更加智能化、自动化，进而使空调性能更加舒适、节能。\n附图说明\n[0027] 图1是本发明的动态自适应空调控制系统的原理图。\n[0028] 图2是本发明的穿戴式终端的结构图。\n[0029] 图3是本发明的空调端控制算法的原理图。\n[0030] 其中：1、心率传感器；2、体表温度传感器；3、主控电路；4、蓝牙无线传输模块；5、显示屏；6、空调控制电路；7、空调端控制算法；8、环境温度传感器；9、指令输入模块；10、穿戴式终端；11、空调机；12、空调机显示屏；13、腕带。\n具体实施方式\n[0031] 由图1所示，本发明的动态自适应空调控制系统包括穿戴式终端10和空调机11。\n[0032] 空调机11包括空调控制电路6和空调机显示屏12。空调控制电路6上设有环境温度传感器8，用于采集环境温度，并在空调机显示屏12上显示。\n[0033] 穿戴式终端10包括主控电路3、显示屏5、电源以及接入该主控电路3的心率传感器\n1和体表温度传感器2；穿戴式终端10与空调控制电路6之间设有相互匹配的蓝牙无线传输模块4，使得空调控制电路6接收来自穿戴式终端10的信号并生成对应的空调控制信号；显示屏5用于显示采集到的用户的心率和体表温度数据；当采集到的心率、体表温度数据不合理时，亮示警灯；电源嵌在主控电路3上，用于给穿戴式终端10供电。\n[0034] 穿戴式终端10还具有手动操作模式，主控电路3上设有用于手动操作的指令输入模块9。指令输入模块9基于用户反馈发送控制命令。\n[0035] 由图2所示，穿戴式终端10包括壳体以及设置在壳体上的腕带13。主控电路3安装在壳体内；显示屏5和指令输入模块9设置壳体表面便于用户观察的一侧。心率传感器1和体表温度传感器2安装在壳体表面贴近用户手腕的一侧。\n[0036] 由图3所示，空调控制电路6生成空调控制信号的过程包括以a)采集到的心率、b)根据体表温度和环境温度换算得到的散热温差和c)散热温差的变化率这三者为输入，在空调控制电路6的模糊控制器内部，执行模糊量化、模糊推理、解模糊过程，获得对应的空调的控制电压；此外，空调控制电路6生成空调控制信号的过程还受用户反馈信号的修正。\n[0037] 其中：心率Hr表征人体产热量程度；散热温差e是腕部体表温度Tb∈(29～35℃)，与环境温度Te的差值，表征人体散热量程度；散热温差变化率ec是e的一阶微分，表征散热量变化的快慢，形成超前预判；控制电压△u表征空调机11在当前情况下需要调整的工作电压。\n[0038] 模糊量化：\n[0039] 模糊量化的作用是使原来定义在实数域上的普通变量转化为控制器内部论域上的模糊变量，经由论域变换、确定隶属度两步完成，如下。\n[0040] a、论域变换\n[0041] 1)将心率Hr∈(60～160)范围内进行论域变换，得到控制器内部论域的相应量值Hr*＝σHr+△Hr，其中σ为比例因子，△Hr为可能存在的偏移量，用语言变量来定义Hr*的模糊集合，如\n[0042] X’＝{0123}＝{微小中大}＝{PTi PS PM PB}；\n[0043] 2)将散热温差e∈(-10,10℃)范围内进行论域变换，得到控制器内部论域的相应量值e*＝νe+△e，其中ν为比例因子，△e为可能存在的偏移量，用语言变量来定义e*的模糊集合，如\n[0044] Y’＝{-3-2-10123}＝{负大负中负小零正小正中正大}＝{NEB NEM NES ZE0PES PEM PEB}；\n[0045] 3)将散热温差变化率ec进行论域变换，得到控制器内部论域的相应量值ec*＝ωec+△ec，其中ω为比例因子，△ec为可能存在的偏移量，用语言变量来定义ec*的模糊集合，即\n[0046] Z’＝{-3-2-1 0 1 2 3}＝{负大 负中 负小 零 正小 正中 正大}＝{NECB NECM NECS ZEC0 PECS PECM PECB}。\n[0047] b、确定隶属度\n[0048] 选用合适的隶属度函数可以确定上述经论域变换后的内部变量(此时的内部变量仍为普通变量)Hr*、e*、ec*对各自模糊集合的隶属程度即隶属度，这里隶属度函数选取其中a、mi、pi均为实常数参量，且a＞0；对μ(Xi)的定义为：内部变量\nXi对各模糊集合的隶属度，且0≤μ(Xi)≤1；\n[0049] 这样，根据各内部变量对各模糊集合的隶属度，最终得到以隶属度表示的内部论域的模糊量，即\n[0050] Hr*＝{μPTi μPS μPM μPB}；\n[0051] e*＝{μNEB μNEM μNES μZE0 μPES μPEM μPEB}；\n[0052] ec*＝{μNECB μNECM μNECS μZEC0 μPECS μPECM μPECB}；\n[0053] 其中，μPTi为表征人体产热量的内部变量Hr*对模糊集合“微”的隶属度值，依次类推。\n[0054] 模糊推理：\n[0055] 经模糊量化后的模糊量可以用于模糊推理。模糊推理采用“IF A,B and C,Then P”的广义前向推理。基于经验可构建多条推理规则。其中一条如：\n[0056] IF Hr*is PS and e*is PEB and ec*is ZEC0,then△u*is NUS；\n[0057] 其中，△u*为空调机11在当前工况u(k)下需要调整的工作电压△u的模糊量，其模糊集合U’可定义为，\n[0058] U’＝{-3-2-1 0 1 2 3}＝{负大负中负小零正小正中正大}＝{NUB NUM NUS ZU0 PUS PUM PUB}。\n[0059] 那么，上述语言规则的描述:当人体产热量为小，且人体散热量为正大，且人体散热变化率为零时，输出控制电压增量为负小，降低制冷。\n[0060] 设前述推理规则构建共N条，每条模糊规则都是积空间中的模糊关系，并有模糊关系矩阵Ri，i＝1,2,…，N；且N条规则两两之间为“或”的关系，那么推理结果可以表示为：\n[0061] △u*＝(Hr*×e*×ec*)○R，R＝∪Ri，i＝1,2,…，N。其中“×”为直积符号，“○”为合成运算。\n[0062] 解模糊：\n[0063] 模糊推理结果得到的控制电压增量输出△u*为内部论域的模糊量，其元素为对各模糊集合的隶属程度。通过解模糊方法，使△u*变为可用于输出的实数域上的普通变量。解模糊可采用最大隶属度法即以隶属程度最大为准的方法，或采用加权平均法、或采用重心法等。\n[0064] 通过上述解模糊方法得到的△u*为内部论域的普通变量。再经论域反变换，即可得到实域的普通变量△u＝λ△u*，λ为比例因子。此时得到的△u即为需要的真正的输出量。\n空调机11接收到电压增量信号△u，调整工作电压使其为u(k+1)＝u(k)+△u，调控室温。\n[0065] 在模糊控制之外，空调控制信号还受到用户反馈信号的反馈校正，用户反馈信号为一级优先控制，强调用户的自主控温行为能力。根据用户反馈信号，变更推理规则、修正参数(如隶属度函数的mi、pi等)，使算法自动适应用户个性化需求。\n[0066] 本发明的动态自适应空调控制系统工作时，环境温度传感器8采集环境温度，并在空调机显示屏12上显示，用户直接观察空调机显示屏12，得到环境温度信息。\n[0067] 佩戴上穿戴式终端10，心率传感器1和体表温度传感器2采集用户的心率和体表温度数据，并在显示屏5上显示，用户直接观察显示屏5，得到自身生理信息。当用户的心率和体表温度数据不合理时，显示屏5亮示警灯，提醒用户检查佩戴方式或及时就医。\n[0068] 空调控制电路6通过无线传输模块，得到穿戴上终端采集得到的用户的心率和体表温度信号，经过空调端控制算法7计算，获得对应的空调的控制电压，控制空调机11工作调控室温。\n[0069] 当用户对空调控制电路6调控的室温不满意时，通过指令输入模块9直接控制空调机11调控室温，同时空调控制电路6对空调端控制算法7进行自动修正。