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近年来，能源和原材料费用的增长、市场需求的变化、产品质量和结构的改进以及环境保护的全球化趋势，使人们越来越重视能源的节省和经济效益的提高。效率的提高对过程控制系统提出了更高的要求。以注重平稳运行为目标的传统操作已不能完全满足需求。因此，通过实时优化方法来降低能耗，提高经济效益，已经成为过程控制的发展趋势。 针对节能问题，以空调节能系统为研究对象，以北京联通公司换热空调节能系统和北京奥林匹克森林公园土壤源热泵空调系统为实际工程项目应用背景，以提高两个系统的运行效率、实现节能降耗为目标，在调研国内外该领域研究现状的基础上，本文对此进行了深入的研究。首先，对作者完成的换热空调节能运行控制系统研究与开发中相关的实时优化结构与关键技术进行了阐述，提出了提高系统运行效率的实时优化控制方法。其次，对地埋管土壤源热泵空调系统的运行优化进行了研究，给出了优化控制程序的运行步骤。并通过仿真实验验证了所提方法的有效性。最后，设计了换热空调节能实物仿真实验台控制系统。主要研究内容和贡献如下: (1)稳态实时优化的稳态判定与数据处理的方法研究 针对系统在线稳态优化中对关键输出变量相对稳态的判定要求，基于假设检验提出了一种样本数据稳态判定方法。通过现场数据实验，证明了方法的有效性，并对优化周期的确定提出了依据。针对系统对检测方法的实时性与小样本的要求，采用了狄克逊准则对粗大误差进行处理。通过实验证明了狄克逊准则在小样本容量数据中有着很好的效果。对稳态实时优化实施中的数据调和技术进行了讨论，通过构造数据调和的优化命题，指出了数据调和在实施中存在的一些问题和适合应用的场合。 (2)基于混合建模方法的换热空调节能系统模型与参数估计研究 针对系统模型是系统运行优化与分析的基础，采用混合建模的方法实现换热空调节能系统的建模与参数估计。采用机理分析法建立了模型的结构，对于模型中的未知参数，采用PSO优化算法和限定记忆的递推算法进行了估计，证明了模型参数在一定范围内变化。同时，针对模型中的关键参数难以实时测量的问题，采用软测量技术加以解决。利用基于多元逐步回归法和基于RBF神经网络两种软测量方法，结合实际工程中现场采集的数据进行了软测量的实验研究，为提高软测量模型的泛化能力，提出了多重均匀设计法来解决训练样本的选择问题。通过对实验结果的分析与对比，证明了所采用的两种软测量方法都可以很好地实现对模型未知参数的估计。实验结果还表明，多重均匀设计法对于提高软测量模型的泛化能力非常有效。 (3)换热空调节能系统的实时优化控制方法研究 首先对换热空调节能系统的稳态优化问题描述进行了介绍，并对系统变量关系和敏感度进行了分析。之后，对解决系统实时优化问题的方法进行了介绍，针对无模型的直接搜索法和传统ISOPE方法在系统中应用时存在的问题进行了分析并改进。采用SQP优化算法对优化问题进行了求解。最后，从工程实际出发，采用复合形优化算法开发了实时优化仿真软件，并利用现场运行数据，进行了实时优化控制方法对节能的影响比较仿真实验、复合形优化中初始顶点的选取仿真实验、建模误差对优化结果的影响仿真实验、软测量模型的在线校正仿真实验。实验结果证明了所提的改进方法不仅能够满足系统对约束的要求，而且可以提高系统的能效比以及优化算法的计算效率。 (4)基于神经网络模型的土壤源热泵空调系统实时优化 针对土壤源热泵空调系统节能降耗的需求，利用RBF神经网络建立目标函数模型与系统模型，并给出了约束条件。针对标准PSO优化算法存在的容易陷入局部极值的问题，对PSO算法进行了改进，并采用罚函数法实现了基于约束的PSO优化算法。最后，采用基于约束的改进PSO优化算法进行了系统的优化控制仿真实验，给出了优化控制程序运行步骤。实验结果表明，改进的PSO优化算法可以提高算法的全局搜索性能，所提供的实时优化方法可以达到较好的节能效果。 (5)换热空调节能实物仿真实验台控制系统设计开发 针对工程现场不便于进行实验的实际情况，为了进一步对换热空调节能系统运行特性进行深入的研究，设计并开发实现了换热空调节能实物仿真实验台控制系统。该控制系统采用了先进的LonWorks技术，可以完成各个温湿度监测点的采集、显示、存储以及变频器的启停和转速控制功能。对回风温度的控制具有实用性强，精度高的特点，上位机软件可以移入不同的优化控制方法，操作方便，运行稳定。