基于CFD的通信机房温度模型预测控制
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ABSTRACT： This paper presents a Model Predictive Control （ MPC） method based on Computational Fluid Dynamics （ CFD） ，aiming to optimize the temperature control of communication equipment room． The paper established the three － dimensional physical model of communication equipment room according to the boundary conditions，and obtained the unit step function response of the input and output temperature by the steady and unsteady simulation solution． Then the unit step function response curvewas fitted by system identification，the system model with best fits was chosen as the mathematical model of the room temperature，and the model predictive controller was designed． The MPC simulation experiment was carried out and compared with traditional PID control． The results of MPC has better control quality and great application values for the temperature control of communication equipment room． KEYWORDS： CFD； MPC； System identification； Room temperature
第 36 卷 第 2 期 文章编号： 1006 － 9348（ 2019） 02 － 0287 － 05
计算机仿真
2019 年 2 月
基于 CFD 的通信机房温度模型预测控制
彭 刚1，2 ，周晨阳1，2
（ 1． 华中科技大学自动化学院，湖北 武汉 430074； 2． 深圳华中科技大学研究院，广东 深圳 518060）
Model Predictive Control of Communication Equipment Room Temperature Based on CFD
PENG Gang1，2 ，ZHOU Chen － yang1，2
（ 1． School of Automation，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan Hubei 430074，China； 2． Shenzhen Institute of Huazhong University of Science and Technology，Shenzhen Guangdong 518060，China）
摘要： 提出了一种基于计算流体动力学的模型预测控制方法，以优化通信机房的室温控制。根据边界条件建立通信机房的 三维物理模型，经过稳态和瞬态模拟求解，得到输入输出温度的单位阶跃响应。通过系统辨识对单位阶跃响应曲线进行拟 合，选取拟合度最高的系统模型作为机房温 度 的 数 学 模 型 ，以 此 设 计 模 型 预 测 控 制 器，进 行 模 型 预 测 控 制 仿 真，并 与 传 统 PID 控制进行比较。结果表明模型预测控制应用于通信机房的室温调节，具有更好的控制品质和应用价值。 关键词： 计算流体动力学； 模型预测控制； 系统辨识； 机房温度 中图分类号： TP391. 9 文献标识码： B
— 287 —
统工程中存在的超调量大、响应速度慢等缺点［1］。由于模型 预测控制方法对系统模型精度要求较低［2］，采用滚动优化策 略实施控制作用，而非全局一次性优化，能够克服系统模型 失配和外界干扰的影响。
1 引言
随着大数据时代的到来，各大电信企业和 IT 企业都建 立起了规模较大的通信机房，为保持通信机房温度恒定，空 调往往工作在长时间定温制冷模式，这种粗放管理方法会造 成能源的极大 浪 费，增 加 企 业 的 成 本。因 此，优 化 通 信 机 房 的温度控制方法会给社会和企业带来巨大效益。研究通信 机房室温的控制方法，需要采集大量实时温度数据，以建立 机房温度的数学模型。该方法需要在室内布置大量的传感 器等硬件 设 施，这 在 实 际 中 实 施 困 难。并 且 室 温 具 有 滞 后
采用 计 算 流 体 动 力 学 （ Computational Fluid Dynamics， CFD） 对室内温度流场进行模拟分析，无需布置大量传感器， 根据边界条件建立通信机房的温度场 预测控制（ Model Predictive Control，MPC） 进行通信机房温度 控制。模型预测控制是成功应用于工业控制的先进控制方 法之一，精度高、鲁棒性强，能够克服传统 PID 控制在空调系
基金项目： 深圳市科技计划项目基础研究项目（ JCYJ20150730103208405） 收稿日期： 2017 － 10 － 24
性，很难采集到 精 确 的 数 据。同 时，通 信 机 房 温 度 控 制 方 法 主要采用传统的 PID 控制，存在超调量大、响应速度慢等缺 点。针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本文介绍了一种 通信机房温度场建模与控制方法，以解决或改善现有技术存 在通信机房温度数学模型建立困难、传统控制方法控制品质 差的技术问题。
第 36 卷 第 2 期 文章编号： 1006 － 9348（ 2019） 02 － 0287 － 05
计算机仿真
2019 年 2 月
基于 CFD 的通信机房温度模型预测控制
彭 刚1，2 ，周晨阳1，2
（ 1． 华中科技大学自动化学院，湖北 武汉 430074； 2． 深圳华中科技大学研究院，广东 深圳 518060）
Model Predictive Control of Communication Equipment Room Temperature Based on CFD
PENG Gang1，2 ，ZHOU Chen － yang1，2
（ 1． School of Automation，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan Hubei 430074，China； 2． Shenzhen Institute of Huazhong University of Science and Technology，Shenzhen Guangdong 518060，China）
摘要： 提出了一种基于计算流体动力学的模型预测控制方法，以优化通信机房的室温控制。根据边界条件建立通信机房的 三维物理模型，经过稳态和瞬态模拟求解，得到输入输出温度的单位阶跃响应。通过系统辨识对单位阶跃响应曲线进行拟 合，选取拟合度最高的系统模型作为机房温 度 的 数 学 模 型 ，以 此 设 计 模 型 预 测 控 制 器，进 行 模 型 预 测 控 制 仿 真，并 与 传 统 PID 控制进行比较。结果表明模型预测控制应用于通信机房的室温调节，具有更好的控制品质和应用价值。 关键词： 计算流体动力学； 模型预测控制； 系统辨识； 机房温度 中图分类号： TP391. 9 文献标识码： B
— 287 —
统工程中存在的超调量大、响应速度慢等缺点［1］。由于模型 预测控制方法对系统模型精度要求较低［2］，采用滚动优化策 略实施控制作用，而非全局一次性优化，能够克服系统模型 失配和外界干扰的影响。
1 引言
随着大数据时代的到来，各大电信企业和 IT 企业都建 立起了规模较大的通信机房，为保持通信机房温度恒定，空 调往往工作在长时间定温制冷模式，这种粗放管理方法会造 成能源的极大 浪 费，增 加 企 业 的 成 本。因 此，优 化 通 信 机 房 的温度控制方法会给社会和企业带来巨大效益。研究通信 机房室温的控制方法，需要采集大量实时温度数据，以建立 机房温度的数学模型。该方法需要在室内布置大量的传感 器等硬件 设 施，这 在 实 际 中 实 施 困 难。并 且 室 温 具 有 滞 后
采用 计 算 流 体 动 力 学 （ Computational Fluid Dynamics， CFD） 对室内温度流场进行模拟分析，无需布置大量传感器， 根据边界条件建立通信机房的温度场 预测控制（ Model Predictive Control，MPC） 进行通信机房温度 控制。模型预测控制是成功应用于工业控制的先进控制方 法之一，精度高、鲁棒性强，能够克服传统 PID 控制在空调系
基金项目： 深圳市科技计划项目基础研究项目（ JCYJ20150730103208405） 收稿日期： 2017 － 10 － 24
性，很难采集到 精 确 的 数 据。同 时，通 信 机 房 温 度 控 制 方 法 主要采用传统的 PID 控制，存在超调量大、响应速度慢等缺 点。针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本文介绍了一种 通信机房温度场建模与控制方法，以解决或改善现有技术存 在通信机房温度数学模型建立困难、传统控制方法控制品质 差的技术问题。
