CN103363746B - 蒸汽压缩系统的操作方法、工作控制方法和优化控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种蒸汽压缩系统的操作方法、工作控制方法和优化控制器。用于操作蒸汽压缩系统的方法利用一组修改信号中的对应的修改信号修改一组控制信号中的各控制信号，其中各修改信号包括摄动信号，并且摄动信号具有不同的频率，并且确定表示系统中由一组修改信号引起的摄动的测量基准信号。接下来，该方法基于修改信号与测量基准信号的对应的频率成分之间的相位的函数调整各修改信号的值。

Description

蒸汽压缩系统的操作方法、工作控制方法和优化控制器

技术领域

本发明一般地涉及一种蒸汽压缩系统，并且更具体地，涉及蒸汽压缩系统的多变量的优化。

背景技术

诸如热泵、冷冻和空调系统的蒸汽压缩系统广泛地应用于工业和住宅。向蒸汽压缩循环引入可变速压缩机、可变位置阀门和可变速度风扇大大地改进了这样的系统的工作的灵活性。能够使用这些新的组件来通过正确地控制组件而改进蒸汽压缩系统的效率。

例如，能够对压缩机的速度进行调整以调节冷媒的流量。蒸发器风扇和冷凝器风扇的速度能够改变以改变空气与热交换器之间的热传递系数。膨胀阀的开度的改变能够直接影响蒸汽压缩系统的高压侧与低压侧之间的压力下降，从而影响了冷媒的流量和对应的蒸发器出口处的过热。

此外，蒸汽压缩系统正在变得越来越复杂。具有连接到单个室外单元的多个室内单元的集成系统已经常见于住宅应用中，并且一些商业应用采用了具有由单个控制系统控制的多个室外单元和多个室内单元的蒸汽压缩系统。理解的是，上述各单元都包括热交换器并且可以包括可变速度风扇和/或可变位置膨胀控制装置。因此，这些复杂的系统的特征在于大量的致动器。希望的是，操作各致动器被控制为使得能耗得到优化的系统。

蒸汽压缩系统能够消耗大量的电能，并且因此，导致了较大的运行开销。因此，希望的是，确定优化蒸汽压缩系统的性能的控制输入。一个性能特性是优化能耗。在现有技术中公开了多种用于控制蒸汽压缩系统的工作的方法。

例如，在美国的5735134中公开的一种用于控制蒸汽压缩系统的方法考虑环境或热负荷要求的突然变化的可能性，实时地监视蒸汽压缩系统，并且基于这些实际的实时测量确定使得系统能够以最大的性能系数运行的一组参数。然而，该方法很消耗时间，并且要求实时计算资源和蒸汽压缩系统的数学模型。

在美国的7076962中公开的另一种方法首先确定蒸发器或冷凝器上的热流量。接下来，使用该热流量来确定一组最优控制输入。由于热流量与蒸汽压缩系统的运行直接相关，因此，难以避免该确定。然而，由于非线性现象没有实质上影响蒸汽压缩系统的组件的效率，因此该方法并不是最优的。

在US7246500中公开的另一方法，通过调整蒸汽压缩系统的冷凝器风扇的速度来减少系统的能耗。然而，由于没有调整系统的其它组件，因此该方法是次优的。因此，没有使得蒸汽压缩系统的各组件的工作参数的组合最优。

在JP2000-257941中公开的又一方法通过利用温度计测量室温并且使用室温作为指标从阀门开放表中检索阀门开放值来减少空调中的冷水或热水的能耗。然而，传统的蒸汽压缩系统通常具有很多不同的需要同时进行控制的组件（包括但不限于阀门）。此外，该方法仅基于室外环境状况确定阀门开放，这并不始终是最优的。

因此，在本领域中需要一种控制系统和方法，用于控制蒸汽压缩系统的运行使得满足运行的热负荷并且系统的性能得到优化。

传统上，如例如美国专利5735134中描述的，使得能量效率最大化的方法依赖于蒸汽压缩系统的物理过程的数学模型的使用。这些基于模型的方法试图描述蒸汽压缩系统的组件的目标值对于系统的热力学行为和消耗的能量的影响。在这些方法中，使用模型来预测满足热负荷要求并且使得能量最小化的输入的组合。

然而，使用数学模型来选择最优输入具有几个重要的缺陷。首先，模型依赖于产生易处理的表示的简化假设，并且这些简化对于具有复杂的物理相互作用和多个系统致动器的多单元蒸汽压缩系统来说是特别需要的。这些假设常常忽略了重要的影响或者没有考虑诸如房间大小的设置特有特性，使得系统的模型偏离了系统的实际运行。

其次，在这些系统的制造过程中的变化常常很大从而产生了相同类型的具有不同的输入-输出特性的蒸汽压缩系统，并且因此，单一模型不能够准确地描述特性的变化。

第三，这些模型难以推导和调整。例如，描述蒸汽压缩系统的组件（例如，压缩机）的工作的参数是针对所使用的每种类型的压缩机以实验的方式确定的，并且完整的蒸汽压缩系统的模型可以具有很多这样的参数。对于每个模型确定这些参数的值是很困难的。

最后，已知的是，蒸汽压缩系统随着时间而变化。准确地描述了一个时间时的蒸汽压缩系统的工作的模型可能随着系统的变化（例如，由于冷媒的缓慢的泄漏或者热交换器上的腐蚀或碎屑的积聚）而在较后的时间会变为不准确。

图1示出了包括例如可变设置致动器的组件的传统的多单元蒸汽压缩系统100。通常，多个单元意在允许对应的多房间或区域温度的单独的调节。在蒸汽压缩系统运行在制冷模式的情况下，如图1中所示，热被从室内机移除到室外机并且因此室内机用作蒸发器。相反地，当系统运行在加热模式中时（未示出），热被从室外机增加到室内机并且室内机用作冷凝器。

组件能够包括蒸发器风扇114、冷凝器风扇113、膨胀阀111和压缩机112。系统能够由监视控制器120控制，该监视控制器120负责接受例如来自恒温器的设定点115以及传感器130的读数，并且输出用于控制组件的工作的一组控制信号。监视控制器120可操作地连接到一组控制装置以将所述一组控制信号转换为用于对应的组件的一组特定控制输入。例如，监视控制器连接到压缩机控制装置122、膨胀阀控制装置121、蒸发器风扇控制装置124以及冷凝器风扇控制装置123。而且，能够连接多个热交换器以独立地调节多个区域温度。在图1中示出了蒸汽压缩系统中的一组N个蒸发器。这些N个蒸发器中的每一个可以包括对应的蒸发器风扇117，并且这些风扇可以可操作地连接到对应的风扇控制装置126。

多个蒸发器示出了多单元蒸汽压缩系统的很多构造中的一个。蒸汽压缩系统的其它构造可以包括多个膨胀阀，例如，用于各蒸发器的一个或多个膨胀阀。这些多单元系统包含大量致动器，并且希望的是，操作这样的系统使得各致动器被操作为使得整个系统消耗最少的能量。

然而，系统的工作可能不是最优的。考虑上述，本领域中需要一种方法，其控制蒸汽压缩系统的工作使得满足工作的热负荷并且使得系统的性能最优，其中，该方法能够同时控制很多致动器，不基于模型，并且能够随着系统特性的变化而随着时间进行适应性调整。

发明内容

本发明的目的在于提供一种系统和方法，其用于控制蒸汽压缩系统的工作使得满足工作的热负荷并且使得系统的性能最优。性能的一个指标能够是最优能耗。

本发明的另一目的在于提供一种系统和方法，其通过同时控制系统的若干组件来使得整个蒸汽压缩系统的性能最优。特别地，一些实施方式描述了蒸汽压缩系统中的各种致动器的同时控制，从而系统收敛到所有系统致动器的以最大效率实现了期望的热负荷的最优组合。

本发明的一些实施方式基于下述实现：蒸汽压缩系统中的多个致动器（压缩机速度、蒸发器风扇速度、冷凝器风扇速度等等）与传递特定热量或冷却量所消耗的能量之间的关系为凸。因此，对于输入值的特定组合，能耗达到了最小值，并且输入命令的其它组合使得蒸汽压缩系统消耗更多能量。换言之，输入值的特定组合消耗最少量的能量，从而使得效率最大化。

本发明的又一目的在于提供一种系统和方法，其没有使用蒸汽压缩系统的模型。

本发明的又一目的在于提供一种系统和方法，其即使在系统的工作特性改变的情况下也能够在系统的运行过程中随着时间的变化优化系统的性能。

本发明的又一目的在于提供一种系统和方法，其在系统的运行过程中动态地实时地优化系统的性能。

本发明的又一目的在于提供一种系统和方法，其具有简单的设计并且能够适应系统的各种性能测量基准。

本发明的又一目的在于提供一种系统和方法，其即使在系统的运行过程中发生热负荷的突然变化时也能够进行性能优化。

本发明的一些实施方式公开了一种系统和方法，其控制蒸汽压缩系统的至少一个组件，使得在蒸汽压缩系统的工作过程中根据性能测量基准测量的系统的性能最优（例如，最大或最小）。

本发明的一些实施方式基于下述实现：蒸汽压缩系统的组件的工作与系统的性能之间存在凸关系。实施方式确定系统的运行过程中工作点处的组件与性能之间的关系，并且使用该关系来修改控制组件的工作的控制信号以使得性能最优，例如，最小化系统的能耗，或者使系统的效率最大。在各种实施方式中，对一个或多个组件的工作进行修改以使得性能最优。

该实现还允许在没有使用系统的模型的情况下在蒸汽压缩系统的运行过程中实时地优化性能。而且，由于实时地优化性能，因此诸如热交换器上的冷媒的泄漏或腐蚀的蒸汽压缩系统的特性的改变对于实施方式具有最小的影响。

一些实施方式基于另一实现：如果利用正弦信号摄动控制信号，则由该摄动引起的蒸汽压缩系统的响应也是正弦的并且能够基于正弦信号的相位的函数来确定朝向最优工作点的方向。该实现还使用三角运算确定朝向最优的方向，这简化了一些实施方式的设计和复杂性。而且，该实现使得一些实施方式能够甚至在系统的运行过程中发生热负荷的突然变化的情况下使得性能最优。这是因为系统对于正弦摄动的响应也是具有相同频率的正弦。因此，能够将系统的热负荷的变化（例如，房间窗户的打开）处理为与系统的正弦响应混合的噪声，并且能够移除该噪声。

在一些实施方式中，能够通过利用不同频率的信号调制各致动器来同时优化多个致动器。结果，性能测量基准是具有由于添加到各系统致动器的多个摄动频率导致的频率成分的混合的单个信号。每个正弦摄动引起了能够被解调的性能的测量基准的对应的响应。以该方式，一个致动器的影响被与任何其它致动器的影响分离，从而允许致动器值的独立的同时优化。

本发明的一个方面公开了一种用于操作蒸汽压缩系统的方法，其利用一组修改信号中的对应的修改信号修改一组控制信号中的各控制信号，其中，每个修改信号包括摄动信号，并且摄动信号具有不同的频率。该方法确定表示系统中由该一组修改信号引起的摄动的测量基准信号并且基于修改信号和测量基准信号的对应频率成分之间的相位的函数调整各修改信号的值。由处理器执行该方法的步骤。

例如，相位的函数能够包括相位的符号和相位的偏移中的至少一个。性能的测量基准能够包括蒸汽压缩系统的效率，并且调整步骤还包括：如果相位为正，则增大控制信号的值；并且如果相位为负，则减小控制信号的值。替代地，性能的测量基准能够包括蒸汽压缩系统的能耗，并且调整步骤进一步包括：如果相位为正，则减小控制信号的值；并且如果相位为负，则增大控制信号的值。

在一些实施方式中，该方法能够基于例如相位的函数确定修改值，并且能够基于修改值改变修改信号的值。替选地，该方法能够基于修改值改变控制信号的值。

在一些实施方式中，该方法能够包括测量表示性能的蒸汽压缩系统的输出信号；以及使得该输出信号通过高通滤波器以产生测量基准信号。该方法还能够包括使得摄动信号与测量基准信号的乘积通过低通滤波器以产生乘积的常数项，其中，常数项的符号对应于相位的函数；以及基于该常数项确定修改值。

在一个实施方式中，该方法包括将修改值与摄动信号组合以产生修改信号。

在一些实施方式中，该方法能够通过积分常数项来产生修改值。另外或替选地，该方法能够通过积分常数项更新修改值。该方法还能够包括将修改值与增益因数相乘，其中，增益因数的符号依赖于性能的测量基准。例如，如果性能应该被最大化，则增益因数的符号为正。替选地，如果性能应该被最小化，则增益因数的符号为负。增益因数允许根据性能的测量基准适应性地改变实施方式。

本发明的另一方面公开了一种用于控制蒸汽压缩系统的工作使得根据性能的测量基准测量的系统的性能最优的方法，其中，基于控制信号控制系统的至少一个组件。该方法包括利用具有修改值的修改信号和周期性摄动信号修改控制信号；以及基于摄动信号和表示由修改信号引起的性能的响应的测量基准信号的函数适应性地调整修改值，其中，摄动信号和测量基准信号是具有基本上相同频率的正弦信号。

在一个实施方式中，该方法还能够包括下述步骤中的一个或组合：确定摄动信号和测量基准信号的乘积，其中，乘积包括常数项和正弦项；基于常数项的符号更新修改值；以及将修改值乘以增益因数，其中，增益因数的符号依赖于性能的测量基准。

本发明的另一方面公开了一种优化控制器，用于通过同时控制多个系统致动器使得根据性能的测量基准测量的蒸汽压缩系统的性能最优。该优化控制器能够包括优化致动器控制器的重复阵列，其中，每个优化致动器控制器能够包括：摄动模块，用于生成摄动信号；高通滤波器，用于响应于接收到表示系统的性能的输出信号确定测量基准信号；低通滤波器，用于确定摄动信号和测量基准信号的乘积的常数项；积分器，用于基于常数项的符号确定修改值；以及求和模块，用于将修改值与摄动信号组合以输出适合于修改系统的一个组件的控制信号的修改信号。各优化致动器控制器的输出被以该方式同时确定，并且优化控制器的多变量输出被生成为使得整体性能最优。

在各种实施方式中，优化控制器还能够包括下述组件中的一个或组合：增益因数模块，用于将修改值乘以增益因数，其中，增益因数的符号依赖于性能的测量基准；延迟模块，用于延迟修改信号的输出；接收器，用于接收输出信号；以及修改模块，用于利用修改信号修改控制信号。

定义

在本发明所描述的实施方式中，使用下述定义。

“计算机”是指下述装置，其能够接受结构化输入，根据规定的规则处理结构化输入，以及产生处理的结果作为输出。计算机的示例包括计算机、通用计算机、超级计算机、大型机、超级迷你计算机、迷你计算机、工作站、微型计算机、服务器、交互式电视、计算机和交互式电视的混合组合以及用于模拟计算机和/或软件的专用硬件。计算机能够具有单个处理器或能够并行或非并行地工作的多个处理器。计算机也表示经由用于在计算机之间发送或接收信息的网络连接在一起的两个或更多计算机。这样的计算机的示例包括用于经由由网络链接的计算机处理信息的分布式计算机系统。

“中央处理单元（CPU）”或“处理器”表示读取和执行软件指令的计算机或计算机的组件。

“存储器”或“计算机可读介质”表示任何用于存储可由计算机访问的数据的存储器以及计算机存储器（例如，随机访问存储器（RAM））。示例包括磁性硬盘、软盘、光盘（例如，CD-ROM或DVD）、磁带、存储器芯片和载波，其用于承载计算机可读电子数据，例如在发送和接收电子邮件或访问网络时使用的数据。

“软件”表示操作计算机的规定规则。软件的示例包括软件、代码段、指令、计算机程序以及编程逻辑。智能系统的软件可以能够自学习。

“模块”或“单元”表示计算中执行任务或任务的一部分的基本组件。其能够由软件或硬件来实施。

“控制系统”表示用于管理、命令、指示或规定其它装置或系统的行为的装置或一组装置。控制系统能够由软件或硬件来实施，并且能够包括一个或多个模块。包括反馈回路的控制系统能够使用微处理器来实施。控制系统能够是嵌入式系统。

“计算机系统”表示具有计算机的系统，其中，计算机包括实施用于操作计算机的软件的计算机可读介质。

“网络”表示由通信设施连接的多个计算机和关联装置。网络包括诸如线缆的永久连接、诸如通过电话或其它通信链路建立的暂时性连接和/或无线连接。网络的示例包括诸如互联网的因特网、内联网、局域网（LAN）、广域网（WAN）和诸如互联网和内联网的网络的组合。

“蒸汽压缩系统”表示使用蒸汽压缩循环来基于热动力学、流体力学和/或热传递的原理来将冷媒移动通过系统的组件的系统。蒸汽压缩系统能够为热泵、制冷和空调系统，但是不限于此。蒸汽压缩系统用在包括住宅或商业空间的调温的应用中。例如，蒸汽压缩循环能够由蒸汽压缩系统使用来在高性能计算应用中冷却计算机芯片。

“HVAC”系统表示实施蒸汽压缩循环的任何加热、通风和空调（HVAC）系统。HVAC系统包括很广范围内的各种系统，包括仅将室外空气供应给建筑物的住户的系统、仅控制建筑物的温度的系统以及控制温度和湿度的系统。

“蒸汽压缩系统的致动器”表示蒸汽压缩系统的具有可由控制系统控制的工作的任何组件。致动器包括用于压缩冷媒并且将冷媒泵送通过系统的具有可变速度的压缩机、用于在系统的高压和低压部分之间提供可调整的压力下降的膨胀阀以及蒸发热交换器和冷凝热交换机，其均包括用于调整通过热交换机的空气流量的可变速度风扇。

“蒸发器”表示蒸汽压缩系统中的热交换机，其中通过热交换机的冷媒在热交换机的长度上蒸发，从而热交换器的出口处的冷媒的比焓高于热交换器的入口处的冷媒的比焓，并且冷媒通常从液体变为气体。在蒸汽压缩系统中可以存在一个或更多蒸发器。

“冷凝器”表示蒸汽压缩系统中的热交换机，其中通过热交换机的冷媒在热交换机的长度上冷凝，从而热交换器的出口处的冷媒的比焓高低于热交换器的入口处的冷媒的比焓，并且冷媒通常从气体变为液体。在蒸汽压缩系统中可以存在一个或更多冷凝器。

“热动力参数”表示蒸汽压缩系统的物理参数的一组测量值。这些参数包括空气和冷媒的温度以及空气和冷媒的压力以及系统中各点处的冷媒的性质（例如，密度、焓和熵），但是不限于此。

“一组控制信号”表示用于控制蒸汽压缩系统的组件的工作的输入的特定值。该一组控制信号包括压缩机的速度、膨胀阀的位置、蒸发器中的风扇的速度以及冷凝器中的风扇的速度的值，但是不限于此。

“设定点”表示诸如蒸汽压缩系统的系统想要通过工作的结果达到并且保持的目标值。表述设定点应用于特定一组控制信号、热力学参数和环境参数的任何特定值。

附图说明

图1是传统的多单元蒸汽压缩系统的框图；

图2是集成有根据本发明的一些实施方式的多单元蒸汽压缩系统的优化控制器的框图；

图3A示出了根据本发明的各种实施方式的用于优化系统的性能的方法的流程图；

图3B示出了根据本发明的各种实施方式的用于优化系统的性能的流程图；

图4A是热交换器风扇速度与蒸汽压缩系统消耗的能量之间的凸形关系的图；

图4B是发送给多个致动器的命令和性能测量基准的对应响应的时间系列演变的时序图；

图4C是多变量凸关系的图并且示出了本发明如何将致动器同时从开始值驱动到最小化性能测量基准的值；

图5是当施加正弦信号时的两个工作点处的凸性能指标的输入-输出变化的曲线图，并且示出了当前工作点的位置与最优工作点的相位依赖关系；

图6是根据本发明的实施方式的由优化致动器控制器的阵列构成的优化控制器的图；以及

图7是图6的优化控制器的工作的方法的流程图。

具体实施方式

图2示出了根据本发明的一个实施方式的蒸汽压缩系统200的框图。系统200能够包括一个或多个蒸发器风扇214、冷凝器风扇213、膨胀阀211、压缩机212、压缩机控制装置222、膨胀阀控制装置221、蒸发器风扇控制装置224和冷凝器风扇控制装置223。

系统200能够是包括超过一种类型的热交换机的多单元系统。例如，该系统可以包括由对应的第二蒸发器风扇控制装置225控制的第二蒸发器风扇216。蒸汽压缩系统200由监视控制器220控制，其负责接受设定点215和传感器230的读数，并且输出用于系统200的组件的工作的一组控制信号。系统200的其它构造也是可能的。

系统200由优化控制器240控制以修改由监视控制器输出到至少一个控制装置（可选地输出到多个控制装置）的控制信号。例如，优化控制器修改输出到蒸发器风扇控制装置（例如，第N蒸发器风扇控制装置226）的控制信号。在一个实施方式中，优化控制器通过添加修改信号260来修改（245）由监视控制器生成的控制信号250。修改信号包括摄动信号。摄动信号是具有特定频率的正弦信号。在一个实施方式中，修改信号还包括修改值。

优化控制器的目的在于优化根据性能的测量基准测量的系统的性能。测量基准的示例包括工作期间由系统消耗的能量和系统的效率，但是不限于此。

优化控制器接收表示根据性能的测量基准测量的系统的性能的蒸汽压缩系统的输出信号270。例如，输出信号能够表示系统消耗的能量。输出信号包括表示修改信号引起的系统的性能中的摄动的测量基准信号。测量基准信号是具有基本上等于摄动信号的第一频率的响应频率的正弦信号。

在各种实施方式中，能够通过将各种频率的摄动添加到各致动器来同时优化多个致动器。例如，由优化控制器生成的并且发送到蒸发器#1风扇控制装置224的摄动信号的频率与由优化控制器生成的并且发送到蒸发器#2风扇控制装置225的摄动信号的频率不同。获得的输出信号270是包含所有摄动信号的频率成分的信号的混合。

在各种实施方式中，优化控制器基于摄动信号与测量基准信号之间的相位的函数调整控制信号，从而优化性能。例如，优化控制器确定修改值（例如，作为相位的函数），并且将该修改值添加到修改信号260。另外或替选地，优化控制器能够将修改值发送（241）到监视控制器，以修改控制信号250。

图3A示出了方法300的框图，方法300用于控制根据一个实施方式的多单元蒸汽压缩系统中的一个致动器的工作使得根据性能305的测量基准优化性能。方法300能够应用N次，其中N是由优化控制器同时控制的致动器的数目。在各实施方式中，由处理器301执行方法的步骤。在一些实施方式中，同时执行用于多个致动器的方法300。

利用包括具有特定摄动频率316的摄动信号315的修改信号来修改（310）控制信号250。确定（320）表示由修改信号引起的系统的性能的摄动的测量基准信号325，其中，测量基准信号具有基本上等于（331）摄动频率315的响应频率326。

接下来，基于摄动信号和测量基准信号之间确定（330）的相位335的函数调整（340）控制信号250的值。在各实施方式中，相位的函数包括相位的符号或相位的偏移中的一个或组合。控制信号被调整为使性能得到优化。例如，在一个实施方式中，性能的测量基准是系统的能耗，并且因此，应使得性能最小化。在该实施方式中，调整包括减小（342）控制信号的值（如果相位为正）；以及增大（341）控制信号的值（如果相位为负）。

在替选实施方式中，性能的测量基准是系统的效率，并且因此应该使得性能最大化。在该实施方式中，调整包括增大（341）控制信号的值（如果相位为正）；以及减小（342）控制信号的值（如果相位为负）。一些实施方式确定修改值350并且基于修改值调整控制信号。一个实施方式通过命令监视控制器将修改值添加到控制信号250来利用修改值调整控制信号。另一实施方式通过将修改值添加到修改信号来利用修改值调整控制信号。在该实施方式中，在修改（245）期间，利用修改值调整控制信号。

图3B示出了在蒸汽压缩系统的工作的至少一部分期间利用修改信号周期性地修改控制信号的实施方式的图。修改信号包括修改值350和摄动信号315。在工作期间，修改值被适应性地调整（380）为测量基准信号325和摄动信号315的函数。通常，摄动信号保持不变，但是测量基准信号响应于控制信号的修改而改变。控制信号由于系统200对修改做出反应所要求的延迟360而周期性地修改（370），从而测量基准信号改变并且达到稳定状态。接下来，修改值被调整（例如，增大或减小）以适应于由前次修改引起的测量基准信号的变化。

图4A示出了性能曲线401，其示出了性能测量基准（例如，系统消耗的能量403）与系统致动器中的一个（例如，蒸发器风扇的速度402）之间的凸关系。性能测量基准对于仅该一个致动器的依赖性在这里用于清楚的目的并且提供了简单的示例。图4C中所示了从两个致动器获得的凸特性，并且该方法意在当在性能测量基准与多个致动器之间存在凸关系时开始使用。

参考图4A的单个致动器示例，点415对应于风扇速度的当前速度为最优（例如，风扇的速度使得系统以最小能耗运行）的工作点。点410对应于风扇的当前速度低于最优速度的工作点，并且点420对应于风扇的当前速度高于最优速度的工作点。在各实施方式中，能量表示由整个蒸汽压缩系统消耗的总能量或全部能量。

一些实施方式基于下述实现：斜率411和斜率421能够表示对应于风扇的速度的控制信号应该减小或增大以优化性能。例如，斜率411表示风扇的速度应该增大以便于最小化能量。相反地，斜率421表示速度应该减小。

图4B示出了多个致动器的时间演变，例如，作为时间425的函数的风扇1速度430和风扇2速度440。而且，示出了性能测量基准，例如，作为时间425的函数的由蒸汽压缩系统消耗的能量450。系统致动器由能量优化控制器修改，从而具有正弦摄动。例如，风扇速度1由一个特定频率的正弦摄动修改，产生了对应的周期433，并且风扇速度2由不同的正弦摄动修改，产生了对应的周期443。这些正弦摄动均引起了性能的测量基准中的对应的响应，其因此由由于施加到各系统致动器的多个摄动频率导致的频率成分的混合构成。特定摄动信号与测量基准信号中的对应的响应之间的相位关系表示当前工作点处的对应的平均致动器命令信号大于还是小于最优命令信号。最优控制器使用该信息来同时将各系统致动器驱动为优化性能测量基准的值。例如，风扇1可以以初始速度x₀431开始，该初始速度低于最小化功率的值，并且因此，优化控制器将增大平均风扇1速度直到其达到优化性能测量基准的速度x*435。类似地，风扇2可以以高于最小化功率的值的初始速度y₀441开始，并且因此，优化控制器将减小平均风扇2速度直到其达到优化性能测量基准的速度y*445。在修改系统致动器的时间期间，性能测量基准开始于值V₀451，其并不是最优的并且被驱动为使得平均性能测量基准值454达到最优值，即，被最小化为值V_min455。

图4C示出了作为两个蒸汽压缩系统致动器（例如，多单元蒸汽压缩系统中的第一蒸发器风扇速度和第二蒸发器风扇速度）的函数的系统所消耗的能量。在单个单元蒸汽压缩系统中存在类似的关系，其中针对蒸发器风扇速度和冷凝器风扇速度绘制能耗。在能耗和多单元蒸汽压缩系统中的超过两个致动器之间也存在凸关系，但是在单个图中难以看到更高尺度的关系。

表面470表示蒸汽压缩系统在不同的致动器设置组合的情况下传递的恒定热负荷。即，对于风扇速度1、风扇速度2和剩余的系统致动器（图中未示出）的各组合，其中，整个系统工作为由系统传输固定热量（例如，固定热负荷，例如，Q_load=1000W），蒸汽压缩系统消耗的能量根据表面470而变化。风扇速度x₀431和y₀441的初始选择可以不是最优的，并且使得系统消耗了表示为V₀451的能量的量。在表面上的461处示出了该工作点。

在优化控制器240的管理下，多个致动器被以不同频率的正弦摄动，并且性能测量基准相应地做出响应。通过比较特定致动器被摄动时的频率下的性能测量基准与特定致动器之间的相位关系，优化控制器发现了特定致动器的当前工作点大于或小于优化性能测量基准的值。例如，风扇速度1可以被驱动到使能量最小化的值x*435，并且风扇速度2可以被驱动到使能量最小的值y*。在图4C中的表面上的462处示出了所获得的最优工作点。监视控制器220保持剩余的致动器命令，从而调节的变量被驱动到其设定点，并且因此，蒸汽压缩系统传递的总热量匹配稳定状态下的负荷。以该方式，恒定热负荷的表面来回移动（traversed）直到达到最小能量消耗点462。

利用由最优控制器修改单个系统致动器的示例并且参考图5的（A）-（C）来进一步解释实施方式的基本原理和正弦信号的凸关系。假设单个单元蒸汽压缩系统在制冷模式中工作（室内热交换机为蒸发器），并且目标在于调节室内温度同时消耗最少的能量。为了该示例的目的，曲线上的初始稳态工作点为410，从而风扇的速度对于最优能耗来说太低，并且室内温度等于设定点温度。监视控制器生成P个蒸汽压缩系统控制信号。P-1个控制信号被直接发送给各控制装置并且利用优化控制器修改一个控制信号的值。

优化控制器将包括摄动信号A₁sin(wt)和修改值s_m1520的信号s₁(t)510添加到控制信号。正弦摄动使得能够估计性能的指标的曲线的斜率，如下面所描述的。

例如，正弦摄动信号s₁(t)510的初始部分增加，即，sin(wt)函数在t=0处开始。正弦函数的增加部分使得风扇的速度增加，这相应地增加蒸发器上的热传递并且降低了室内温度。作为其正常机能的一部分，监视控制器检测到该降低的温度并且由于需要更少的制冷来实现设定点温度，因此命令压缩机减少其速度。

由于压缩机在蒸汽压缩系统中消耗最大量的能量，因此，整体能耗降低。该降低被测量作为具有与摄动信号相反的相位（即，由于测量基准信号导致的相位）的性能V₁(t)530的输出信号。由于与s₁(t)510相比，V₁(t)530的相位偏移大约180度，因此，当前工作点410处的曲线的斜率被确定为负。优化控制器使用该斜率信息来以下述方式改变修改信号的修改值s_m1520，即使得能耗值V_ml540接近其最优值。最优控制器继续改变蒸发器风扇的速度的修改值直到达到能耗的最小值，并且该系统在点415处工作。以该方式，优化控制器能够对于节能提供显著的影响。

类似地，如果蒸汽压缩系统的初始工作点处于点420并且施加正弦摄动信号s₂(t)550，则能量响应大概与正弦摄动同相，并且优化控制器确定当前工作点处的性能曲线的斜率为正。因此，优化控制器减小命令输入s_m2560的修改值，使得能耗V_m2580降低，最终将系统驱动为在点415处工作。

在上述示例中的一些中，性能的测量基准是能耗，并且因此，目的在于使性能最小。一些实施方式使用替选的性能的测量基准，例如，系统的效率。这些实施方式修改优化控制器以使性能最大。

图6示出了根据本发明的一个实施方式的优化控制器240的框图。图7示出了优化控制器240的工作的方法的流程图。图6-图7仅是示例性目的，并且不意在限制本发明的范围。在各种实施方式中，优化控制器的构造包括上述组件中的一个或一些。

参考图6和图7，优化控制器240能够包括优化致动器控制器605的重复阵列，其中，各优化致动器控制器能够包括下述组件中的一个或多个。用于生成（710）摄动信号315的摄动模块610和用于接收（770）或测量蒸汽压缩系统的表示根据性能的测量基准的性能的输出信号270的接收器601。在工作过程中，除了标称值Vm之外，输出信号V(t)还包括测量基准信号Bsin(wt)325。

优化控制器能够包括用于响应于接收输出信号确定（720）测量基准信号的高通滤波器620和用于确定（730）摄动信号和测量基准信号的乘积625的常数项的低通滤波器630。高通滤波器被设计为从输出信号移除标称值Vm并且产生测量基准信号。测量基准信号可以包括源自其它源（例如，噪声）的其它高频成分。测量基准信号具有其频率与摄动信号相同的成分，并且当相同频率的两个正弦相乘时，所获得的表达式根据下式具有常数项和正弦项：

sin(wt)*Bsin(wt)=B/2-B/2*cos(2wt)。

相位的函数和性能曲线的斜率编码在常数项B/2中。如果两个正弦信号同相（与图5中的s₂(t)550和V₂(t)570类似），则常数项为正。然而，如果当前工作点处的性能曲线的斜率为负，则两个正弦异相（与图5中的s₁(t)510和V₁(t)530类似）并且上述等式的右侧具有负的常数项。优化控制器使用常数项B/2的符号来确定性能曲线的斜率。

在该实施方式中，因为仅要求常数项B/2，因此，使用低通滤波器630移除具有两倍摄动频率的正弦项。

优化控制器能够包括积分器640，用于基于常数项635的符号确定（740）修改值350。

常数项的符号表示与当前修改值s_m与使性能测量基准的值V最优的s的值相比太大还是太小。积分器640积分常数项B/2以便于确定如何基于斜率信息改变修改值。在各种实施方式中，积分器产生（780）修改值的新值，或者更新（790）修改值的前值。

优化控制器还能够包括增益因数模块，用于将修改值与增益因数相乘，其中，增益因数的符号依赖于性能的测量基准。通常，与增益因数相乘具有两个目的。首先，增益因数确定优化控制器对于斜率信息做出反应的速度。例如，较小大小的增益因数引起了对于控制信号的值的较缓慢的修改。其次，增益因数的符号确定优化控制器使得性能的指标最大还是最小。在诸如能耗的性能需要最小化的实施方式中，增益因数K的符号为负。当增益因数K为负并且常数项为负时，控制信号的值增加。这与搜索性能曲线中的最小值一致。在性能需要最大化的实施方式中，增益因数K为正。增益因数模块使得优化控制器更容易适合于蒸汽压缩系统的不同目标。

优化控制器还能够包括求和模块655，用于将修改值与摄动信号组合（750）以输出适合于修改系统的至少一个组件的控制信号的修改信号315，从而使性能最优。一些实施方式还包括用于利用修改信号修改控制信号的修改模块。

在一些实施方式中，优化控制器还包括延迟模块660，用于接受摄动信号。延迟模块补偿由蒸汽压缩系统的动态引起的延迟。通常，如果摄动信号的频率基本上低于蒸汽压缩系统的支配动态，则不要求该延迟模块。

本发明的上述实施方式能够以各种方式来实施。例如，可以使用硬件、软件或其组合来实施实施方式。当以软件实施时，软件代码能够在单个计算机或多个计算机之间分布的任何适合的处理器或处理器的集合体上执行。这样的处理器可以实施为集成电路，集成电路组件中的一个或多个处理器。但是，可以使用任何适合的形式的电路来实施处理器。

而且，这里描述的各种方法和处理可以编码为可在采用各种操作系统或平台中的任一个的一个或多个处理器上执行的软件。另外，这样的软件可以使用多种适合的编程语言和/或编程或脚本工具中的任一种来编写，并且还可以编译为可执行机器语言代码或在大型机或虚拟机上执行的中间代码。通常，在各种实施方式中可以根据需要组合或分散程序模块的功能。

而且，本发明的实施方式可以实施为已经提供了其示例的方法。作为该方法的一部分执行的动作可以以任何适合的方式来排序。因此，实施方式可以构造为以不同于所示出的顺序的顺序来执行动作，这可以包括同时执行某些动作，即使这些动作在示例性实施方式中被示出为顺序进行的动作。

Claims (14)

1.一种操作蒸汽压缩系统的方法，所述方法包括下述步骤：

利用一组修改信号中的对应的修改信号修改一组控制信号中的各控制信号，其中，每个修改信号包括摄动信号，并且所述摄动信号具有不同的频率；

确定表示所述系统中由所述一组修改信号引起的摄动的测量基准信号；以及

基于所述修改信号与所述测量基准信号的对应频率成分之间的相位的函数调整各修改信号的值，

其中，由处理器执行所述方法的上述步骤。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述相位的函数包括所述相位的符号和所述相位的偏移中的至少一方。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，

所述测量基准是所述蒸汽压缩系统的效率，并且其中，所述调整包括：

如果所述相位为正，则增大所述修改信号的值；以及

如果所述相位为负，则减小所述修改信号的值。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，

所述测量基准是所述蒸汽压缩系统的能耗，并且其中，所述调整包括：

如果所述相位为正，则减小所述修改信号的值；以及

如果所述相位为负，则增大所述修改信号的值。

5.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括：

使得所述测量基准信号经过一组高通滤波器以产生所述测量基准信号的一组所述频率成分。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述调整进一步包括：

使得所述摄动信号与所述测量基准信号的对应频率成分的乘积经过低通滤波器以产生所述乘积的常数项，其中，所述常数项的符号对应于所述相位的函数；以及

基于所述常数项确定修改值。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，确定所述修改值的步骤进一步包括：

对所述常数项进行积分以产生所述修改值。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，确定所述修改值的步骤进一步包括：

对所述常数项进行积分以更新所述修改值。

9.根据权利要求6所述的方法，其中，确定所述修改值的步骤进一步包括：

将所述修改值与增益因数相乘，其中，所述增益因数的符号取决于性能测量基准。

10.根据权利要求6所述的方法，所述方法进一步包括：

将所述修改值与所述摄动信号组合以产生用于对应的命令信号的修改信号。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述蒸汽压缩系统包括相同类型的至少两个受控组件。

12.一种用于控制蒸汽压缩系统的工作的方法，所述方法控制所述蒸汽压缩系统的工作使得根据性能测量基准测量的系统性能最优，所述方法包括下述步骤：

利用对应的一组修改信号同时修改一组控制信号，其中，各修改信号包括具有特有频率的摄动信号；

确定表示由所述一组修改信号引起的所述系统性能的摄动的测量基准信号；以及

基于所述测量基准信号的对应频率成分调整各控制信号，

其中，由处理器执行所述方法的上述步骤。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述调整包括：

基于对应的摄动信号与测量基准信号的频率成分之间的相位的函数调整控制信号，使得性能最优。

14.一种优化控制器，所述优化控制器用于优化根据性能测量基准测量的蒸汽压缩系统的性能，所述优化控制器包括：

摄动模块，所述摄动模块用于生成一组摄动信号，每个摄动信号具有特有的频率；

一组高通滤波器，所述一组高通滤波器对应于所述摄动信号的频率以响应于接收到表示所述系统的性能的输出信号确定测量基准信号的一组频率成分；

一组低通滤波器，所述一组低通滤波器用于确定各摄动信号与所述测量基准信号的对应频率成分的乘积的常数项；

一组积分器，所述一组积分器用于基于所述常数项的符号确定用于一组对应的命令信号的一组修改值；以及

修改模块，所述修改模块用于基于所述一组修改值修改所述一组对应的命令信号，从而优化所述性能。