CN1075369A - 控制空间状态的系统与方法 - Google Patents

Abstract

居住用建筑物的环境控制系统，其中的工作环境 根据为一状态向量所表示的多个建筑物状态中的任 意个而予以控制。在多个独立工作的控制器中含有 存储好的可访问控制功能组，后者则可为前述状态向 量存取。这一批控制器根据所访问的控制功能，为影 响工作环境参数的装置产生工作点信号。

Description

一般而论，本发明涉及对影响着表征控制空间中工作环境的诸参数的设备的控制;更确切地说，本发明涉及一种多形态形式的分布控制系统，用于将工作环境确定为多个控制空间状态的函数。

用于环境控制、照明、安全、娱乐、负载/能量等控制、和为之编定程序的协调管理，以及对住宅、建筑物与类似空间所用的这类装置与器件排定作业计划，长期以来就成为节能、改进安全性和拟实现其它利益时所追求之目标。在开发用于在商业建筑中实现这些目的的装置和系统方面，已取得了很大进展。

为了达到上述种种目的，业已存在有供住宅用的周知的属于家庭自动化的许多系统与方法。但是，这类系统与方法主要见于极为昂贵之住宅中。至于为普通家庭用的此类系统提供需求与市场，则几乎没有成效与进展。其理由之一是，现行可利用的系统相当复杂与价昂，要求户主或者有足够的财富和对此种系统有较大的兴趣，愿聘用专家对之进行设计、安装与维护，或者具有充分的技术知识与兴趣来自己做到这些。

上述系统通常对各个户主各有其习惯的设计形式。新近，已作过多种尝试，来设计较为通用的家庭自动化系统。然而这样的系统一般所根据的设计准则，是必须在初始结构之上共轴地安装上超结构（即特殊的线路、传感器、控制器与起动器）。这就显著地增大了基础房舍的费用，而这是多数顾客届时不愿意支付的。此种方法的另一个缺点是要求单独的一名安装人员熟悉该系统的各个方面，包括诸如HVAC供暖、通讯与供冷）装置、照明控制装置、安全装置、语音与数据通信装置以及文如设施等等。在传统上，这类装置与设施都是由基本上互不联系的独立安装人员，通过各自的渠道来处理的。最后，由于上述异见的理由，这样的方法与系统是不适合于从事翻新改进之市场所需的。

鉴于上述诸类问题，本发明的申请人对住宅自动化提出了有所不同的解决方法，它所根据的多形态系统概念类似于操纵目标定向数据处理系统中的数据时所用到的概念。这种方法涉及到把住宅中的环境控制功能与装置分成若干个逻辑组，各个组处于共同的控制下并能以独立的常规方式起作用，但却可同为便利用户和编定程序而提供协调控制的状态向量控制器进行通信。各个运行环境控制器与状态向量控制器间的通信是通过一条颇为简单的通信总线进行的。这样，申请人尽量缩小或克服了住宅/建筑物自动化方面在先有技术方法中存在的许多固有困难。

尽管申请人的此项发明是联系住宅自动化系统来描述的，但应指出这一发明的适用范围是更为广泛的。从它的最广泛意义上讲;本发明是一种有着广阔应用面的多形态分配控制系统，包括（但不局限于）除住宅与建筑物环境控制之外的制造与工业过程。为此，这里所用到的控制空间、状态向量、工作环境、控制功能等一类词汇是取它们的广义意义，而不限定于具体的实施例。

本申请人的发明，是用于把一控制空间的工作环境，作为任意多个控制空间状态的一个函数予以控制的系统与方法，这里的每个状态，是由具有表示多个子状态的状态向量表示的。多个独立的各能影响表征工作环境的参数的工作环境控制器，存储成组的、可为状态向量信号存取的可访问控制功能，从而使公共状态向量信号能使这些工作环境控制器以不同的方式起作用，以在控制空间中实现一整体式工作环境。

上述可访问的控制功能组，每个均可包括一几维控制功能矩阵，此矩阵的各维对应于状态向量信号的一个分量。这些个工作环境控制器可以是能在缺乏可识别状态向量信号条件下进行常规的自主工作的控制器。为了能由一简单的通信总线于状态向量控制器和这批工作环境控制器之间进行通信，即使在不了解系统中其它工作环境控制器或后者之间有相互影响的条件下，也能在此总线上连接上另外的工作环境控制器。

下面简述本发明的附图。

图1显示了本申请人的发明在住宅自动化方面的概念;

图2是用来具体实施图1中的概念的系统的框图;

图3较详细地显示了适用于图2中之系统的环境控制装置;

图4是可存储于图2框图所示环境控制装置中的可访问控制功能矩阵的例子;

图5是可存储于图2框图所示照明控制装置中的可访问控制功能之矩阵的例子。

现来描述本发明的最佳实施例。

在图1的概念图中，由标号11-14标明的椭圆形表示对可以表征住宅工作环境的各种参数的控制。尽管这里是把住宅用于说明目的，但申请人的此种概念可普遍适用于各式样的其它建筑物以及一般的分配控制系统。

椭圆形15表示对控制11-14执行协调作用的控制功能。在控制11-14的每一个与协调控制15之间的双向箭头16表明其间存在着通信。在各个控制11-14之间不存在此种箭头说明在这些控制之间不允许直接通信。正如从后面讨论中可以理解到的。此种布置之主要目的在于排除控制冲突的可能性。在图1所示的例子中，控制11-14的影响的参数分别包括HVAC环境、安全性、文娱与照明。

由椭圆形17所表示的程序控制对所有的控制11-14都起作用，因而是通过协调控制器15来提供。类似地，为椭圆形18表示的语音通信也会对全部控制11-14起作用，故仍是通过协调控制器15来提供的。

图1之系统概念的典型实施方式由图2中的框图中形式显示，其中标号20表示通信总线，它在多个工作环境控制器21-24与管理这些工作环境控制器的状态向量控制器之间提供通信，并能执行某些其它功能。为了提供所要求的这种通信，可以采用众多的周知通信总线中的任意一种。数据传输要求是非常一般的，这样可以采用较简单的总线。特别适用于上述功能的总线设计可详见于David    Myers的美国专利申请，序号    （1991年12月20日提出），题为“A    DC    Balanced    4B/8B    Binary    BlockCode    For    Digital    Data    Communication”，该项申请已转让给本申请的受让人。

具体示明在图2框图中的工作环境控制器包括-HVAC环境控制器21、安全系统控制器22、文娱系统控制器23及照明控制器24。控制器21-24的每一个均能按常规方式自主工作，但还能在状态向量控制器25的集中指导工作，以与其它工作环境控制器一致起作用，从而实现所需的总的控制环境。如后面还会谈到的，当总线20上缺乏可识别的信号时，每一个这样的工作环境控制器均能象一个通常独立的控制器那样工作。

能够实现各种HVAC环境控制功能且能在前述之专利申请中所述的总线上进行通信的一种恒温器，在James    Ratz、Robert    Schnell与Daniel    Uhrich提交的美国专利申请，序号    ：题为“Communicating    Thermostat”（1991年12月20日提交）以及James    Ratz与Robert    Schnell提交的美国专利申请，序号：题为“Communicating    Thermostat”（1991年12月20日提出）中已有描述，此两项申请均已转让给本申请的受让人。但应指出，尽管上述以“通讯式恒温器”（Communicating    Thermostat）为题的专利申请涉及的恒温器能在总线上按照要求通信，但按照本申请之系统与方法所需却是以其它的方式来进行的。

与HVAC环境控制器21相关联的箭头26表明，这一控制器能响应一外部信号（例如可为供应电力、煤气或其它形式能量之公用设备所传输的信号）进行负载管理。26所标示的负载管理信号可以用于控制器21或是卸载或是其它能量用途管理目的，并可以经总线20供应给状态向量控制器25，控制器25可为照明控制器24等提供能量管理指令。

相反，根据具体的系统结构，也可先将一负载管理信号供给状态向量控制器25，然后控制器25给控制器21与24发出适当的命令。

类似地，所示的安全控制器22与箭头27相联，表明能与一外部的安全管理程序进行通信。当控制器22作为一独立的控制器工作时，可利用该通信能力，该通信能力也可为图2的整个系统与一外部的安全管理程序间通信起到通路的作用。

状态向量控制器25可包括一显示板和/或键盘，用来显示状态的信息、传感的参数值与控制器工作参数等，并用来接收各类命令或指令。如标号28所标明的，此显示板和/或键盘亦可位于控制器25之外，同样能通过一外部通信线路接收信息和/或命令与提供信息。

标号30指示一程序控制器，它用来安排系统的运行并安排各个工作环境控制器的运行。尽管程序控制器30被显示成独立于装置的形式，但它可在实体上被包含到状态向量控制器25中。

标号31表示一语音通信控制器，通过它可以提供或接收用于各种目的的语音通信。语音通信的典型功能在于提供语音，提醒在系统中进行远程编程序或改变它在系统其它部位的程序。

图4阐明了一种HVAC环境控制器40，它有一与通信总线的连接件41和一连通到外部负载管理源的连接件42。控制器40给HVAC装置提供一工作点信号，以通过独立运行或与其它控制器共同工作，来影响控制空间中的HVAC环境。控制器40有一键盘44，用来输入调整点，依照与常规可编程序恒温器类似的方式安排和编定程序。如图所示，控制器40还有一显示盘46，用来显示传感参数、装置运行参数与编程设计信息。

通过这里给出的多形态控制系统概念的实施例，用户可以极其顺利地操作本申请人的系统。为了在住宅中实现多个所需的工作环境中的任意个，用户只须输入一个或一组命令，例如可启动一标有“已占用”之钮，或启动标有“有占用”和“无负效应”两种钮，或启动标有“离去”与“避免浪费”两种钮。这些个输入由控制器25变换为状态向量信号，并经总线20通至各个与此总线相连的工作环境控制器。正如下面所要描述的，每个工作环境控制器以其自身方式对状态向量信号作出反应，但是与其它工作环境控制器相配合地来实现所需的总的工作环境。

为了实现这种运行，只须在每个工作环境控制器中存储一组可为状态向量信号存取的可访问控制功能。这组可访问控制功能可包括由这些功能构成的一个n维矩阵，其中的每一维对应于此状态向量信号的一独立分量。这样，在各个工作环境控制器中，状态向量信号标明位于该控制功能矩阵中指明地址处的控制功能。由此，仅根据控制功能矩阵在工作环境控制器中的排列形式，一个公用的状态向量信号就能启动多个独立的控制功能。

通过加入用于其他工作环境参数的控制器，或者是更换上一个能力更强的工作环境参数，这一系统就能扩大，或能由此改变确定了的工作环境。例如，一种HVAC工作环境控制器或有充分控温本领的恒温器，是可以代之以一种有能力在不同区域独立控制温度与湿度的同类装置的。各个控制器都将对同一状态向量信号作出响应，而各个控制器都将根据其自身能力作出响应来实现一相应于例如占有者“离去”，“避免浪费”的已接受命令的工作环境。

图5阐明了可存储于例如图2控制器21的那种HVAC工作环境控制器中的控制功能矩阵。这一矩阵被显示为三维矩阵形式，沿着它的三个独立方向分配着与状态向量信号的分量相对应的空间占用值、空间能量耗用值以及空间急紧事故值。如图4中所能看到，在矩阵的前排地址中示明了典型的控制功能。类似的控制功能可安排在前排后面的矩阵排中。应该指出，其中有些地址可以空缺，它们相当于禁用的状态向量或控制功能。

当状态向量控制器不能提供状态向量信号或仅仅提供了不完全的状态向量信号，或是当工作环境控制器不能识别状态向量信号时，此种控制器则返回到缺席模式，在此模式它根据预定的控制功能工作。例如，HVAC环境控制器可以回复到根据与“占用”、“无节余”与“无事故”相应的控制功能进行工作。

图5示明了可以存储于照明控制器24中的控制功能三维矩阵。注意到相同的状态向量信号对于两种控制会得出完全不同的控制功能。但是这两种控制器却协调地工作，以在控制空间中实现统一的总的工作环境。

尽管为了说明的目的，示明并描述了本申请人的发明的特定实施方案，但在不脱离本申请人的目的与技术公开的情况下，那些在与此相关技术中具有一般知识的人显然是可以提出各式各样之其它实施例的。本发明的涉及范围应不受所示实施例之限，而仅仅由后附权利要求书确定。

Claims (34)

1、一种系统，它借助于响应于从这些控制空间状态导出的工作点信号的单独可控装置，把控制空间中的工作环境作为多个控制状态的任意个的函数而予以控制，此系统包括：

一种状态向量控制器(25)，用来提供表示任意多个控制空间状态的任意个的状态向量信号；

多个工作环境控制器(21-24)，用来为影响表征此控制空间的工作环境参数的装置提供工作点信号，至少在所述多个工作环境控制器的第一工作环境控制器(21，22)中，存储有一组可为一状态向量信号存取的可访问控制函数(图4，图5)，并可根据其进行工作以为与所述第一工作环境控制器相关联的装置提供一第一工作点信号；

通信装置(20)，它与所述状态向量控制器(25)及所述多个工作环境控制器(21-24)相连，用来将状态向量信号至少输送给所述第一工作环境控制器(21，22)。

2、如权利要求1所述的系统，其中：

所述工作环境控制器包括一第二工作环境控制器（22，21），其中存储为一组能为一状态向量信号存取的可访问控制功能（图4，图5），此第二工作环境控制器（22，21）被连接成能接收为所述状态向量控制器（25）提供的状态向量信号;同时

所述第一与第二工作环境控制器（21，22）中的可访问控制功能组（图4，图5）得到适当排列，以使一公用的状态向量信号能导致所述两工作环境控制器提供这样的工作点信号，该信号所具有的值能引起与主相关的装置在一体化的方式下起作用。

3、如权利要求2所述的系统，其中：

存储于第一与第二工作环境控制器（21，22）中的可访问控制功能组（图4，图5）各包括由控制功能组成的n维矩阵（图4与5中的三条轴线）;

这种状态向量信号构成控制功能地址，这些地址具有对应于n维矩阵（图4与5中的三条轴线）的各维的分量。

4、如权利要求3所述的系统，其中：

在第一与第二工作环境控制器（21，22）中的可访问控制功能矩阵（图4与5的三条轴线）的第一维（水平轴线）反映了空间占有变量;

在第一与第二工作环境控制器（21，22）中的可访问控制功能矩阵的第二维（垂直轴线）反映了一种空间能量耗用量变量。

5、如权利要求4所述的系统，其中：

所述状态向量控制器（25）包括输入装置，它能让用户以对其有利的条件来规定至少某些与此控制空间有关的变量;

所述向量控制器（25）可有效地响应所规定的空间变量来提供一状态向量信号。

6、如权利要求5所述的系统，其中：

使所述状态向量控制器（25）的输入装置能符合用户要求的第一变量以及在所说第一与第二工作环境控制器（21，22）中的可访问控制功能矩阵（图4与5）的第一维（水平轴线）包括从包含“已占用”、“全已入睡”、“离去”、“空出”与“关闭”的组中选出的空间占用值;

使所述状态向量控制器（25）的输入装置能符合用户要求的第二变量以及在所说第一与第二种工作环境控制器（21，22）中可访问控制功能矩阵（图4与5）的第二维（垂直轴线）包括从包含“无节余”、“无负效应”、“避免浪费”与“最大节省”的组中选出的空间能量耗用值。

7、如权利要求6所述的系统，其中：在所述第一与第二工作环境控制器（21，22）中的可访问控制功能矩阵具有一第三维（对角轴线），它所反映的空间紧急事故变量选自下述的一组值：“无事故”、“火”、“盗”、“医疗”、“高温”、“低温”、“漏水”与“漏煤气”。

8、如权利要求7所述的系统，其中第一和第二工作环境控制器分别用于HVAC和照明控制。

9、如权利要求8所述的系统，其中所述多个工作环境控制器（21-24）中至少有一个能有效地提供第一工作点信号，该信号对于任何在状态向量信号中未识别的分量具有从对应于从预定状态向量分量识别的地址分量的控制功能导出的值。

10、如权利要求9所述的系统，其中所述多个工作环境控制器（21，22，23，24）中至少有一个能有效地提供第一工作点信号，该信号在缺乏一状态向量信号时，具有从对应于预定状态向理的控制功能所导出的值。

11、如权利要求10所述的系统，其中所述多个工作环境控制器（21，22，23，24）中至少有一个能有效地：

产生出第二工作点信号，这些信号所分别具有值能分别导致所述装置中的预定几个装置去实现为此装置影响之工作参数所需的值;

有选择地用此第二工作点信号来代替供给于这些装置中的预定的几个的第一工作点信号。

12、用来将一控制空间中的工作环境，作为多个控制空间状态的任意个的函数，并借助于根据这些控制空间状态导出的工作点信号确定所述工作环境的一种方法，此方法包括下述步骤：

为多个能分别有效地影响多个表征一控制空间的工作环境的各个装置，提供一组可访问的控制功能（图4与5），各个装置中此组可访问功能有存在于只属于该装置的一工作环境控制器（21，22，23，25）中;

提供表示一多形的命令组的一命令组信号，该命令组表示此控制空间的多个预定状态中的任意个，这一命令组信号对应于可访问的控制功能地址（图4与5），能有效地使有关装置在上述空间中实现根据命令所形成的工作环境;

把具有由对应于上述命令组信号的可访问控制功能（图4与5）确定的值的第一工作点信号提供给分别与这组可访问控制功能相关联的装置。

13、如权利要求12所述的方法，其中：

提供一组可寻址控制功能（图4与5）的所述步骤包括提供可访问控制功能的一个n维矩阵，而

所述命令组信号对应于在n维矩阵的各维中均有分量的地址。

14、如权利要求13所术的方法，其中：

可访问控制功能（图4与5）的第一与第二矩阵存在于第一与第二工作环境控制器（21与22）中，用于分别影响此控制空间之第一与第二工作参数的第一与第二装置;而

所述第一与第二矩阵（图4与5）各有反映空间占有变量的第一维（水平轴线），此第一维则与对应于所述命令组信号的地址的第一分量相关联。

15、如权利要求14所述的方法，其中所述可访问控制功能的第一与第二矩阵（图4与5）各有一反映空间能量耗用变量的第二维（垂直轴线），此第二维与对应于所述命令组信号的地址的第二分量相关联。

16、如权利要求15所述的方法，其中所述第一与第二矩阵（图4与5）的第一维（水平轴线）所包括的空间占有值选自下述的一组值“：已占有”、“全已入睡”、“离去”、“空缺”与“关闭”;

所述第一与第二矩阵（图4与5）的第一维（垂直轴线）所包括的空间能量耗用值选自下述的一组值：“无节余”、“无负效应”、“避免浪费”与“最大节省”。

17、如权利要求16所述的方法，其中所述可访问控制功能的第一与第二矩阵（图4与5）各有一反映空间紧急事故变量的第三维（对角轴线），此变量所取的值选自下述的一组值：“无事故”、“火”、“盗窃”、“医疗”、“高温”、“低温”、“漏火”与“漏煤气”。

18、如权利要求17所述的方法，其中第一与第二工作环境控制器（21与24）分别被用来给HVAC与照明控制装置提供工作点信号。

19、如权利要求18所述的方法，它还包括这样的步骤：为所述命令组信号中任何未确定的分量提供第一工作点信号，该信号所具有的值则与为预定地址分量所识别的地址相对应。

20、如权利要求19所述的方法，它还包括有这样的步骤：在缺乏一命令组信号时提供第一工作点信号，该信号所具有的值与前述之控制矩阵（图4、5）中预定的地址相对应。

21、如权利要求20所述的方法，其中还包括有如下步骤：

产生一与所述命令组信号相对应的地址信号，此地址信号规定出一个地址，而其中之地址分量数则等于任一所说n维矩阵（图4、5）的最大维数;

提供第一工作点信号，该信号所具有的值与前述地址信号所规定的地址相对应。

22、如权利要求21所述的方法，其中还包括如下步骤：

产生第二工作点信号，它们各自所具有的值能有效地使有关装置中的预定几个来使受其影响的参数的达到所希望的值;

有选择地用此第二工作点信号来代替供给所述几个预定装置的第一工作点信号。

23、如权利要求22所述的方法，其中包括有如下步骤：为在所述命令组信号中未能识别的任意地址分量提供第一种工作点信号，后者所具有的值与预定之地址分量识别的地址相对应。

24、如权利要求23所述的方法，其中包括有如下步骤：在缺乏命令组信号时，提供第一种工作点信号，后者所具有的值与可寻址控制功能矩阵（图4与5）中的预定地址相对应。

25、如权利要求13所述的方法，其中还包括有如下两个步骤：

产生一与所述命令组信号相对应的地址信号，此地址信号规定出一地址，其中的地址分量数等于任一述及之n维矩阵（图4与5）的最大维数;

提供第一工作点信号，后者所具有的值对应于为此地址信号所规定的地址。

26、如权利要求25所述的方法，它还包括如下的步骤：

产生第二工作点信号，它们分别具有的值可有效地使有关装置中的预定几个使受其影响的参数达到所希望的值;

有选择地用此第二组工作点信号来代替供给于上述预定几个装置的第一工作点信号。

27、如权利要求26所术的方法，其中包括有用来给HVAC装置供给工作点信号的工作环境控制器。

28、在下述系统内的一种方法，此系统借助于能各自根据一工作点信号来影响一独立工作参数的多个不同的可控制装置，在一控制空间中确定出种种工作参数;所述方法被用来整体式地控制上述参数，以根据对用户有利的命令组来实现此控制空间中多个预定工作状态中的任意个，它包括以下步骤：

提供多个工作环境控制器（21-24），每个均用来给影响此控制空间中的一个工作参数的独立装置提供一工作点信号，每一个这种工作环境控制器（21-24）都根据一地址信号来提供一第一工作点信号，后者所具有的值从存储于工作环境控制器（21，22，23，24）中的一组可访问控制功能导出;

给这些工作环境控制器（21-24）提供地址信号，此地址信号对应于这样一个命令组信号，该命令组信号所表示的一多形态命令组指明多个控制空间状态中的任意个，这一地址信号还明确了可访问控制功能的地址，从中导出的工作点信号能有效地促使与这批工作环境控制器有关的装置以整体化的方式起作用，使此控制空间实现在所接受命令下形成的工作环境。

29、如权利要求28所述的方法，其中存储于所述多个工作环境控制器（21-24）内的可寻址控制功能组的排列可使一公用的命令组信号能在所有的工作环境控制器（21-24）中选址，并有效地导致所述多个装置以整体化的方式起作用，以在此控制空间中实现被命令指定的工作环境。

30、如权利要求29所述的方法，其中至少所述多个工作环境控制器的第一工作环境控制器（21）包括：

输入装置（40），它允许用户对于为该第一工作环境控制器（21）控制的装置所影响的参数明确一个所希望的值，且此第一工作环境控制器（21）能有效地提供一第二工作点信号来代替第一工作点信号。

31、如权利要求30所述的方法，其中：

至少存储于所述第一工作环境控制器（21）中的可访问控制功能组是可访问控制功能的一个n维矩阵（图4），

所述地址信号规定一地址，该地址所具有的分量对应于此n维矩阵（图4）中的各维。

32、如权利要求31所述的方法，其中：

所述可访问控制功能的n维矩阵（图44）的第一维（水平轴线）反映一空间占用变量;

所述可访问控制功能的n维矩阵（图4）的第二维（垂直轴线）则反映一空间能量耗用变量。

33、如权利要求32所述的方法，其中所说的可访问控制功能的n维矩阵（图4）的第三维（对角轴线）反映一空间紧急事故变量。

34、如权利要求33所述的方法，其中所述第一工作环境控制器（21）能有效地给HVAC控制装置提供工作点信号。

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