CN108758999A

CN108758999A - 使用约束处理的极值搜索控制系统

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Publication number: CN108758999A
Application number: CN201810311826.8A
Authority: CN
Inventors: 蒂莫西·I·索尔兹伯里; 约翰·M·豪斯
Original assignee: Johnson Controls Technology Co
Current assignee: Johnson Controls Tyco IP Holdings LLP
Priority date: 2017-04-12
Filing date: 2018-04-09
Publication date: 2018-11-06
Anticipated expiration: 2038-04-09
Also published as: CN108758999B; EP3388903A3; EP3388903A2; US10627786B2; EP3388903B1; JP6909754B2; JP2018181331A; US20180299839A1

Abstract

一种极值搜索控制系统包括：设施，可操作用于影响建筑物的可变状态或条件；以及极值搜索控制器。所述极值搜索控制器被配置用于：向设施提供控制输入并且接收性能变量作为来自所述设施的第一反馈。所述设施使用所述控制输入来影响所述性能变量。所述极值搜索控制器被配置用于：接收约束变量作为来自所述设施的第二反馈；并且通过将惩罚函数应用于所述约束变量来计算性能惩罚。所述极值搜索控制器进一步被配置用于：使用所述性能惩罚修改所述性能变量以生成经修改成本函数；估计所述经修改成本函数相对于所述控制输入的梯度；通过调节所述控制输入而使所述经修改成本函数的所述梯度趋向于零。

Description

使用约束处理的极值搜索控制系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年4月12日提交的美国临时专利申请号62/484,681的优先权的权益，所述美国临时专利申请的全部披露通过援引并入本文。

背景技术

本披露总体上涉及极值搜索控制(ESC)系统。ESC是可以动态地搜寻系统的未知和/或时变输入以优化某个性能指数的一类自优化控制策略。ESC可以被认为是对通过使用抖动信号进行梯度搜寻的动态实现。系统输出y相对于系统输入u的梯度可以通过稍微扰动系统操作并施加解调措施来获得。系统性能的优化可以通过在闭环系统中使用负反馈环路使梯度趋向于零来获得。ESC是非基于模型的控制策略，意味着ESC不需要受控系统的模型来优化所述系统。

ESC通常涉及在线估计与成本函数相对于受操纵变量的梯度有关的属性。可以不断地调整受操纵变量以便移动到此梯度测量为零的点。直截了当的是通过使用上限和下限来对正被操纵的变量应用约束。然而，还可能期望对在某些边界内受到ESC操作影响的其他变量进行约束。对受ESC影响的其他变量应用约束的问题可能在ESC框架内难以处理。

发明内容

本披露的一种实现方式是一种极值搜索控制系统，包括：设施，可操作用于影响建筑物的可变状态或条件；以及极值搜索控制器。所述极值搜索控制器被配置用于：向设施提供控制输入并且接收性能变量作为来自所述设施的第一反馈。所述设施使用所述控制输入来影响所述性能变量。所述极值搜索控制器被配置用于：接收约束变量作为来自所述设施的第二反馈；并且通过将惩罚函数应用于所述约束变量来计算性能惩罚。所述极值搜索控制器进一步被配置用于：使用所述性能惩罚修改所述性能变量以生成经修改成本函数；估计所述经修改成本函数相对于所述控制输入的梯度；通过调节所述控制输入而使所述经修改成本函数的所述梯度趋向于零。

在一些实施例中，所述惩罚函数基于所述约束变量偏离预定范围的量而单调地增大。在一些实施例中，所述极值搜索控制器进一步被配置用于确定所述预定范围。

在一些实施例中，所述惩罚函数基于死区函数。所述死区函数：当所述约束变量在所述约束变量的最小值与所述约束变量的最大值之间时具有零值；当所述约束变量低于所述最小值时线性地减小；并且当所述约束变量高于所述最大值时线性地增大。

在一些实施例中，所述极值搜索控制器被配置用于通过以下各项来计算所述性能惩罚：基于所述约束变量来计算所述死区函数的值以生成死区值；以及计算所述死区值的平方或绝对值。在一些实施例中，所述极值搜索控制器被配置用于使用抖动信号来增强所述控制输入。

本披露的另一种实现方式是一种方法。所述方法包括：操作设施以影响建筑物的可变状态或条件；向所述设施提供控制输入；以及接收性能变量作为来自所述设施的第一反馈。所述设施使用所述控制输入来影响所述性能变量。所述方法还包括：接收约束变量作为来自所述设施的第二反馈；通过将惩罚函数应用于所述约束变量来计算性能惩罚；使用所述性能惩罚修改所述性能变量以生成经修改成本函数；估计所述经修改成本函数相对于所述控制输入的梯度；以及通过调节所述控制输入而使所述经修改成本函数的所述梯度趋向于零。

在一些实施例中，所述惩罚函数基于所述约束变量偏离预定范围的量而单调地增大。在一些实施例中，所述方法还包括自动地确定所述预定范围。

在一些实施例中，计算所述性能惩罚包括：基于所述约束变量来计算所述死区函数的值以生成死区值；以及计算所述死区值的平方或绝对值。在一些实施例中，计算所述性能惩罚还包括：将所述死区的所述平方或绝对值乘以缩放参数。在一些实施例中，使用所述性能惩罚修改所述性能变量以生成所述经修改成本函数包括将所述性能变量与一加上所述性能惩罚之和相乘。

在一些实施例中，所述方法还包括：使用抖动信号来增强所述控制输入。

本披露的另一种实现方式是一种极值搜索控制器。所述极值搜索控制器包括：约束处理程序，通信地耦合至设施以接收性能变量和约束变量。所述设施可操作用于响应于来自所述极值搜索控制器的控制输入来影响所述性能变量和所述约束变量。所述约束处理程序被配置用于：通过将惩罚函数应用于所述约束变量来计算性能惩罚；使用所述性能惩罚修改所述性能变量以生成经修改成本函数；并且向性能梯度探测器提供所述经修改成本函数。所述性能梯度探测器被配置用于估计所述经修改成本函数相对于所述控制输入的梯度并且向受操纵变量更新器提供所述梯度。所述受操纵变量更新器被配置用于生成用于所述设施使所述梯度趋向于零的经更新信号。

在一些实施例中，所述惩罚函数基于所述约束变量偏离预定范围的量而单调地增大。在一些实施例中，所述受操纵变量更新器被配置用于使用抖动信号来增强所述经更新控制输入。在一些实施例中，所述约束处理程序被配置用于：通过将所述性能变量与一加上所述性能惩罚之和相乘，使用所述惩罚函数来修改所述性能变量以生成所述经修改成本函数。

本领域内的技术人员将认识到概述仅是说明性的而不旨在以任何方式进行限制。本文中所描述的如仅由权利要求书限定的装置和/或过程的其他方面、创造性特征、以及优点将在本文中陈述并结合附图进行的具体实施方式中变得清楚。

附图说明

图1是根据一些实施例的配备有HVAC系统的建筑物的图示。

图2是根据一些实施例的可用于结合图1的建筑物的水侧系统的示意图。

图3是根据一些实施例的可用于结合图1的建筑物的空气侧系统的示意图。

图4是根据一些实施例的可用于监测并控制图1的建筑物的建筑物管理系统(BMS)的框图。

图5是根据一些实施例的可用于监测并控制图1的建筑物的另一种BMS的框图。

图6是根据一些实施例的使用周期性抖动信号来扰动提供至设施的控制输入的极值搜索控制(ESC)系统的框图。

图7是根据一些实施例的使用周期性抖动信号来扰动提供至设施的控制输入的另一个ESC系统的框图。

图8是根据一些实施例的具有约束处理程序的ESC的框图。

图9是根据一些实施例的用于在ESC中处理约束的过程的流程图。

图10是根据一些实施例的约束边界的死区图。

图11是根据一些实施例的冷却单个房间的模拟屋顶单元的示意图。

图12是根据一些实施例的在用于控制供应空气温度的ESC算法中不使用惩罚项和使用惩罚项的供应空气温度设定值的曲线图。

图13是根据一些实施例的在ESC算法中不使用惩罚项和使用惩罚项的功耗曲线图。

图14是根据一些实施例的由图10中所展示的控制动作产生的房间空气温度响应曲线图。

图15是根据一些实施例的由图10中所展示的控制动作产生的房间空气相对湿度响应曲线图。

具体实施方式

建筑物HVAC系统以及建筑物管理系统

现在参照图1至图5，示出了根据一些实施例的可以在其中实施本披露的系统和方法的若干建筑物管理系统(BMS)和HVAC系统。概括地讲，图1示出了配备有HVAC系统100的建筑物10。图2是可用于服务建筑物10的水侧系统200的框图。图3是可用于服务建筑物10的空气侧系统300的框图。图4是可用于监测并控制建筑物10的BMS的框图。图5是可用于监测并控制建筑物10的另一种BMS的框图。

建筑物和HVAC系统

具体参照图1，示出了建筑物10的透视图。建筑物10由BMS服务。BMS通常是被配置成对建筑物或建筑物区域中或周围的设备进行控制、监测和管理的系统。BMS可以包括例如HVAC系统、安全系统、照明系统，火灾报警系统、能够管理建筑物功能或装置的任何其他系统、或其任何组合。

服务建筑物10的BMS包括HVAC系统100。HVAC系统100可以包括被配置成为建筑物10提供加热、冷却、通风或其他服务的多个HVAC装置(例如，加热器、冷却器、空气处理单元、泵、风扇、热能存储设备等)。例如，HVAC系统100被示出为包括水侧系统120和空气侧系统130。水侧系统120可以向空气侧系统130的空气处理单元提供加热或冷却后的流体。空气侧系统130可以使用所述加热或冷却后的流体来加热或冷却提供至建筑物10的气流。参考图2至图3对可在HVAC系统100中使用的示例性水侧系统和空气侧系统进行更加详细的描述。

HVAC系统100被示出为包括冷却器102、锅炉104和屋顶空气处理单元(AHU)106。水侧系统120可以使用锅炉104和冷却器102来加热或冷却工作流体(例如，水、乙二醇等)并且可以使所述工作流体循环至AHU 106。在各实施例中，水侧系统120的HVAC装置可以位于建筑物10中或周围(如图1中所示出的)或位于非现场位置(如中央设施(例如，冷却器设施、蒸汽设施、热力设施等))。可以在锅炉104中加热或在冷却器102中冷却工作流体，这取决于建筑物10中是需要加热还是冷却。锅炉104可以例如通过燃烧易燃材料(例如，天然气)或使用电加热元件来向循环的流体添加热量。冷却器102可以使循环的流体与热交换器(例如，蒸发器)中的另一种流体(例如，制冷剂)处于热交换关系以从循环的流体中吸收热量。可以经由管路108将来自冷却器102和/或锅炉104的工作流体输送到AHU 106。

AHU 106可以使工作流体与穿过AHU 106的气流处于热交换关系(例如，经由一级或多级冷却盘管和/或加热盘管)。气流可以是例如室外空气、来自建筑物10内的回流空气或两者的组合。AHU 106可以在气流与工作流体之间传递热量，从而为气流提供加热或冷却。例如，AHU 106可以包括被配置成使气流通过或穿过包含工作流体的热交换器的一个或多个风扇或鼓风机。工作流体然后可以经由管路110返回至冷却器102或锅炉104。

空气侧系统130可以经由空气供应管道112将由AHU 106供应的气流(即，供应气流)递送至建筑物10并且可以经由空气回流管道114向AHU 106提供来自建筑物10的回流空气。在一些实施例中，空气侧系统130包括多个可变空气量(VAV)单元116。例如，空气侧系统130被示出为包括建筑物10的每一个楼层或区域上的独立VAV单元116。VAV单元116可以包括气闸或可以被操作以控制提供给建筑物10的单独区域的供应气流的量的其他流量控制元件。在其他实施例中，空气侧系统130将供应气流递送至建筑物10的一个或多个区域中(例如，经由供应管道112)，而不使用中间VAV单元116或其他流量控制元件。AHU 106可以包括被配置成测量供应气流的属性的各种传感器(例如，温度传感器、压力传感器等)。AHU106可以从位于AHU 106内和/或建筑物区域内的传感器接收输入并且可以调节穿过AHU106的供应气流的流速、温度或其他属性以实现建筑物区域的设定值条件。

水侧系统

现在参照图2，示出了根据一些实施例的水侧系统200的框图。在各种实施例中，水侧系统200可以补充或替代HVAC系统100中的水侧系统120或者可以与HVAC系统100分开来实施。当在HVAC系统100中实施时，水侧系统200可以包括HVAC系统100中的HVAC装置的子集(例如，锅炉104、冷却器102、泵、阀门等)并且可以操作用于向AHU 106提供加热的或冷却的流体。水侧系统200的HVAC装置可以位于建筑物10内(例如，作为水侧系统120的部件)或位于非现场位置(如中央设施)。

在图2中，水侧系统200被示出为具有多个子设施202至212的中央设施。子设施202至212被示出为包括：加热器子设施202、热回收冷却器子设施204、冷却器子设施206、冷却塔子设施208、热热能存储(TES)子设施210和冷热能存储(TES)子设施212。子设施202至212消耗来自公共设施的资源(例如，水、天然气、电力等)以服务建筑物或校园的热能负荷(例如，热水、冷水、加热、冷却等)。例如，加热器子设施202可以被配置成在热水回路214中加热水，所述热水回路使热水在加热器子设施202与建筑物10之间循环。冷却器子设施206可以被配置成在冷水回路216中冷却水，所述冷水回路使冷水在冷却器子设施206与建筑物10之间循环。热回收冷却器子设施204可以被配置成将热量从冷水回路216传递到热水回路214以便提供对热水的附加加热和对冷水的附加冷却。冷凝水回路218可以从冷却器子设施206中的冷水中吸收热量并且在冷却塔子设施208中放出所述吸收的热量或将吸收到的热量传递至热水回路214。热TES子设施210和冷TES子设施212可以分别存储热和冷热能以供后续使用。

热水回路214和冷水回路216可以将加热的和/或冷却的水递送至位于建筑物10的屋顶上的空气处理器(例如，AHU 106)或建筑物10的单独层或区域(例如，VAV单元116)。空气处理器推送空气经过热交换器(例如，加热盘管或冷却盘管)，水流过所述热交换器以提供对空气的加热或冷却。可以将加热或冷却的空气递送至建筑物10的单独区域以服务于建筑物10的热能负荷。水然后返回到子设施202至212以接收进一步加热或冷却。

尽管子设施202至212被示出或被描述为加热或冷却水以便循环至建筑物，但是应当理解的是，替代或除了水之外可以使用任何其他类型的工作流体(例如，乙二醇、CO2等)以服务热能负荷。在其他实施例中，子设施202至212可以直接向建筑物或校园提供加热和/或冷却，而不需要中间热传递流体。对水侧系统200的这些和其他变体在本披露的教导内。

子设施202至212中的每个子设施可以包括被配置成促进子设施的功能的各种设备。例如，加热器子设施202被示出为包括被配置成为热水回路214中的热水添加热量的多个加热元件220(例如，锅炉、电加热器等)。加热器子设施202还被示出为包括若干泵222和224，所述泵被配置成使热水回路214中的热水循环并控制通过单独加热元件220的热水的流速。冷却器子设施206被示出为包括被配置成除去来自冷水回路216中的冷水的热量的多个冷却器232。冷却器子设施206还被示出为包括若干泵234和236，所述泵被配置成使冷水回路216中的冷水循环并控制通过单独冷却器232的冷水的流速。

热回收冷却器子设施204被示出为包括被配置成将热量从冷水回路216传递至热水回路214的多个热回收热交换器226(例如，制冷电路)。热回收冷却器子设施204还被示出为包括若干泵228和230，所述泵被配置成使通过热回收热交换器226的热水和/或冷水循环并控制通过单独热回收热交换器226的水的流速。冷却塔子设施208被示出为包括被配置成除去来自冷凝水回路218中的冷凝水的热量的多个冷却塔238。冷却塔子设施208还被示出为包括若干泵240，所述泵被配置成使冷凝水回路218中的冷凝水循环并控制通过单独冷却塔238的冷凝水的流速。

热TES子设施210被示出为包括被配置成存储热水以供稍后使用的热TES罐242。热TES子设施210还可以包括被配置成控制流入或流出热TES罐242的热水的流速的一个或多个泵或阀门。冷TES子设施212被示出为包括被配置成存储冷水以供稍后使用的冷TES罐244。冷TES子设施212还可以包括被配置成控制流入或流出冷TES罐244的冷水的流速的一个或多个泵或阀门。

在一些实施例中，水侧系统200中的一个或多个泵(例如，泵222、224、228、230、234、236和/或240)或水侧系统200中的管道包括与其相关联的隔离阀。隔离阀可以与泵集成或定位在泵的上游或下游以控制水侧系统200中的流体流动。在各实施例中，水侧系统200可以基于水侧系统200的特定配置和水侧系统200所服务的负荷的类型而包括更多、更少或不同类型的装置和/或子设施。

空气侧系统

现在参照图3，示出了根据一些实施例的空气侧系统300的框图。在各种实施例中，空气侧系统300可以补充或替代HVAC系统100中的空气侧系统130或者可以与HVAC系统100分开来实施。当在HVAC系统100中实施时，空气侧系统300可以包括HVAC系统100中的HVAC装置的子集(例如，AHU 106、VAV单元116、管道112至114、风扇、气闸等)并且可以位于建筑物10中或周围。空气侧系统300可以操作以使用由水侧系统200提供的加热的或冷却的流体来加热或冷却提供给建筑物10的气流。

在图3中，空气侧系统300被示出为包括节能装置类型的空气处理单元(AHU)302。节能装置类型的AHU改变空气处理单元用于加热或冷却的外部空气和回流空气的量。例如，AHU 302可以经由回流空气管道308从建筑物区域306接收回流空气304并且可以经由供应空气管道312将供应空气310递送至建筑物区域306。在一些实施例中，AHU 302是位于建筑物10的屋顶上(例如，图1中所示出的AHU 106)或者以其他方式被定位用于接收回流空气304和外部空气314两者的屋顶单元。AHU302可以被配置成操作排气闸316、混合气闸318和外部空气闸320以便控制组合形成供应空气310的外部空气314和回流空气304的量。未通过混合气闸318的任何回流空气304可以通过排气闸316从AHU 302排出为废气322。

气闸316至320中的每一个可以由致动器操作。例如，排气闸316可以由致动器324操作，混合气闸318可以由致动器326操作，并且外部空气闸320可以由致动器328操作。致动器324至328可以经由通信链路332与AHU控制器330通信。致动器324至328可以从AHU控制器330接收控制信号并且可以向AHU控制器330提供反馈信号。反馈信号可以包括例如对当前致动器或气闸位置的指示、致动器施加的转矩或力的量、诊断信息(例如，由致动器324至328执行的诊断测试的结果)、状态信息、调试信息、配置设置、校准数据和/或可以由致动器324至328采集、存储或使用的其他类型的信息或数据。AHU控制器330可以是被配置成使用一个或多个控制算法(例如，基于状态的算法、极值搜索控制(ESC)算法、比例积分(PI)控制算法、比例-积分-微分(PID)控制算法、模型预测控制(MPC)算法、反馈控制算法等)来控制致动器324至328的节能装置控制器。

仍然参照图3，AHU 302被示出为包括冷却盘管334、加热盘管336和位于供应空气管道312内的风扇338。风扇338可以被配置成推动供应空气310通过冷却盘管334和/或加热盘管336并且向建筑物区域306提供供应空气310。AHU控制器330可以经由通信链路340与风扇338通信以便控制供应空气310的流速。在一些实施例中，AHU控制器330通过调节风扇338的速度来控制施加到供应空气310的加热量或冷却量。

冷却盘管334可以经由管路342从水侧系统200(例如，从冷水回路216)接收冷却的流体并且可以经由管路344将冷却的流体返回至水侧系统200。可以沿着管路342或管路344定位阀门346以便控制通过冷却盘管334的冷却流体的流速。在一些实施例中，冷却盘管334包括可以被独立地激活和去激活(例如，由AHU控制器330、由BMS控制器366等)以调节施加到供应空气310的冷却量的多级冷却盘管。

加热盘管336可以经由管路348从水侧系统200(例如，从热水回路214)接收加热的流体并且可以经由管路350将加热的流体返回至水侧系统200。可以沿着管路348或管路350定位阀门352以便控制通过加热盘管336的加热流体的流速。在一些实施例中，加热盘管336包括可以被独立地激活和去激活(例如，由AHU控制器330、由BMS控制器366等)以调节施加到供应空气310的加热量的多级加热盘管。

阀门346和352中的每一个可以由致动器控制。例如，阀门346可以由致动器354控制，并且阀门352可以由致动器356控制。致动器354至356可以经由通信链路358至360与AHU控制器330通信。致动器354至356可以从AHU控制器330接收控制信号并且可以向控制器330提供反馈信号。在一些实施例中，AHU控制器330从定位在供应空气管道312(例如，冷却盘管334和/或加热盘管336的下游)中的温度传感器362接收供应空气温度的测量结果。AHU控制器330还可以从位于建筑物区域306中的温度传感器364接收建筑物区域306的温度测量结果。

在一些实施例中，AHU控制器330经由致动器354至356操作阀346至352以调节提供给供应空气310的加热量或冷却量(例如，从而达到供应空气310的设定值温度或者将供应空气310的温度维持在设定值温度范围内)。阀346和352的位置影响由冷却盘管334或加热盘管336提供给供应空气310的加热量或冷却量并且可以与消耗以达到期望的供应空气温度的能源量相关。AHU 330可以通过对盘管334至336进行激活或去激活、调整风扇338的速度或两者的组合来控制供应空气310和/或建筑物区域306的温度。

仍然参照图3，空气侧系统300被示出为包括建筑物管理系统(BMS)控制器366和客户端装置368。BMS控制器366可以包括一个或多个计算机系统(例如，服务器、监督控制器、子系统控制器等)，所述计算机系统充当空气侧系统300、水侧系统200、HVAC系统100和/或服务于建筑物10的其他可控系统的系统级控制器、应用或数据服务器、头结点或主控制器。BMS控制器366可以根据相似或不同协议(例如，LON、BACnet等)经由通信链路370与多个下游建筑物系统或子系统(例如，HVAC系统100、安全系统、照明系统、水侧系统200等)通信。在各实施例中，AHU控制器330和BMS控制器366可以是分离的(如图3中所示出的)或集成的。在集成的实施方式中，AHU控制器330可以是被配置成由BMS控制器366的处理器执行的软件模块。

在一些实施例中，AHU控制器330从BMS控制器366接收信息(例如，命令、设定值、操作边界等)并且向BMS控制器366提供信息(例如，温度测量结果、阀或致动器位置、操作状态、诊断等)。例如，AHU控制器330可以向BAS控制器366提供来自温度传感器362至364的温度测量结果、设备开/关状态、设备运行能力和/或可以由BAS控制器366用来监测和控制建筑物区域306内的可变状态或条件的任何其他信息。

客户端装置368可以包括用于对HVAC系统100、其子系统和/或装置进行控制、查看或以其他方式交互的一个或多个人机接口或客户端接口(例如，图形用户界面、报告接口、基于文本的计算机接口、面向客户端的web服务、向web客户端提供页面的web服务器等)。客户端装置368可以是计算机工作站、客户终端、远程或本地接口或任何其他类型的用户界面装置。客户端装置368可以是固定终端或移动装置。例如，客户端装置368可以是台式计算机、具有用户界面的计算机服务器、膝上型计算机、平板计算机、智能电话、PDA或任何其他类型的移动或非移动装置。客户端装置368可以经由通信链路372与BMS控制器366和/或AHU控制器330通信。

建筑物管理系统

现在参照图4，示出了根据一些实施例的建筑物管理系统(BMS)400的框图。可以在建筑物10中实施BMS 400以自动地监测和控制各种建筑物功能。BMS 400被示出为包括BMS控制器366和多个建筑物子系统428。建筑物子系统428被示出为包括建筑物电气子系统434、信息通信技术(ICT)子系统436、安全子系统438、HVAC子系统440、照明子系统442、电梯/电动扶梯子系统432和防火安全子系统430。在各实施例中，建筑物子系统428可以包括更少的、附加的或替代的子系统。例如，建筑物子系统428还可以包括或可替代地包括制冷子系统、广告或引导标示子系统、烹饪子系统、售货子系统、打印机或拷贝服务子系统或者使用可控的设备和/或传感器来监测或控制建筑物10的任何其他类型的建筑物子系统。在一些实施例中，如参照图2至图3描述的，建筑物子系统428包括水侧系统200和/或空气侧系统300。

建筑物子系统428中的每一个可以包括用于完成其单独功能和控制活动的任意数量的装置、控制器和连接。如参照图1至图3描述的，HVAC子系统440可以包括许多与HVAC系统100相同的部件。例如，HVAC子系统440可以包括冷却器、锅炉、任意数量的空气处理单元、节能装置、现场控制器、监控控制器、致动器、温度传感器以及用于控制建筑物10内的温度、湿度、气流或其他可变条件的其他装置。照明子系统442可以包括任意数量的灯具、镇流器、照明传感器、调光器或被配置成可控制地调节提供给建筑物空间的光量的其他装置。安全子系统438可以包括占用传感器、视频监控摄像机、数字视频录像机、视频处理服务器、入侵检测装置、访问控制装置和服务器或其他与安全相关的装置。

仍然参照图4，BMS控制器366被示出为包括通信接口407和BMS接口409。接口407可以促进BMS控制器366与外部应用(例如，监测和报告应用422、企业控制应用426、远程系统和应用444、驻留在客户端装置448上的应用等)之间的通信，以允许用户对BMS控制器366和/或子系统428进行控制、监测和调节。接口407还可以促进BMS控制器366与客户端装置448之间的通信。BMS接口409可以促进BMS控制器366与建筑物子系统428之间的通信(例如，HVAC、照明安全、电梯、配电、业务等)。

接口407、409可以是或包括用于与建筑物子系统428或其他外部系统或装置进行数据通信的有线或无线通信接口(例如，插座、天线、发射器、接收器、收发器、电线端子等)。在各实施例中，经由接口407、409进行的通信可以是直接的(例如，本地有线或无线通信)或经由通信网络446(例如，WAN、互联网、蜂窝网等)。例如，接口407、409可以包括用于经由基于以太网的通信链路或网络发送和接收数据的以太网卡和端口。在另一个示例中，接口407、409可以包括用于经由无线通信网络进行通信的Wi-Fi收发器。在另一个示例中，接口407、409中的一个或多个接口可以包括蜂窝或移动电话通信收发器。在一个实施例中，通信接口407为电力线通信接口并且BMS接口409为以太网接口。在其他实施例中，通信接口407和BMS接口409都为以太网接口或为同一个以太网接口。

仍然参照图4，BMS控制器366被示出为包括处理电路404，所述处理电路包括处理器406和存储器408。处理电路404可以可通信地连接至BMS接口409和/或通信接口407，从而使得处理电路404及其各个部件可以经由接口407、409发送和接收数据。处理器406可以被实施为通用处理器、应用专用集成电路(ASIC)、一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)、一组处理部件或其他合适的电子处理部件。

存储器408(例如，存储器、存储器单元、存储装置等)可以包括用于存储数据和/或计算机代码的一个或多个装置(例如、RAM、ROM、闪存器、硬盘存储设备等)，所述数据和/或计算机代码用于完成或促进本申请中所描述的各种过程、层和模块。存储器408可以是或包括易失性存储器或非易失性存储器。存储器408可以包括数据库组件、目标代码组件、脚本组件、或用于支持本申请中所描述的各种活动和信息结构的任何其他类型的信息结构。根据一些实施例，存储器408经由处理电路404可通信地连接至处理器406并且包括用于(例如，由处理电路404和/或处理器406)执行本文中所描述的一个或多个过程的计算机代码。

在一些实施例中，在单个计算机(例如，一个服务器、一个外壳等)内实施BMS控制器366。在各个其他实施例中，BMS控制器366可以跨多个服务器或计算机(例如，其可以存在于分布式位置中)分布。进一步地，虽然图4示出了如存在于BMS控制器366外的应用422和426，但在一些实施例中，应用422和426可以托管在BMS控制器366内(例如，在存储器408内)。

仍然参照图4，存储器408被示出为包括企业集成层410、自动测量与验证(AM&V)层412、需求响应(DR)层414、故障检测与诊断(FDD)层416、集成控制层418以及建筑物子系统集成层420。层410至420可以被配置成从建筑物子系统428和其他数据源接收输入、基于所述输入确定建筑物子系统428的最佳控制动作、基于所述最佳控制动作生成控制信号并且将所生成的控制信号提供给建筑物子系统428。以下段落描述了由BMS 400中的层410至420中的每一个层执行的通用功能中的一些通用功能。

企业集成层410可以被配置成服务于具有信息和服务的客户端或本地应用以支持各种企业级应用。例如，企业控制应用426可以被配置成向图形用户界面(GUI)或向任意数量的企业级业务应用(例如，会计系统、用户识别系统等)提供跨子系统控制。企业控制应用426还可以或可替代地被配置成提供用于配置BMS控制器366的配置GUI。在又其他实施例中，企业控制应用426可以与层410至420一起工作以基于在接口407和/或BMS接口409接收到的输入来优化建筑物性能(例如，效率、能量使用、舒适度或安全性)。

建筑物子系统集成层420可以被配置成管理BMS控制器366与建筑物子系统428之间的通信。例如，建筑物子系统集成层420可以从建筑物子系统428接收传感器数据和输入信号并且向建筑物子系统428提供输出数据和控制信号。建筑物子系统集成层420还可以被配置成管理建筑物子系统428之间的通信。建筑物子系统集成层420跨多个多厂商/多协议系统转译通信(例如，传感器数据、输入信号、输出信号等)。

需求响应层414可以被配置成响应于满足建筑物10的需求而优化资源使用(例如，电的使用、天然气的使用、水的使用等)和/或这种资源使用的货币成本。优化可以基于分时电价、缩减信号、能量可用性、或者从公共设施提供商、分布式能量生成系统424、能量储存设备427(例如，热TES 242、冷TES 244等)或其他来源接收到的其他数据。需求响应层414可以接收来自BMS控制器366的其他层(例如，建筑物子系统集成层420、集成控制层418等)的输入。从其他层接收到的输入可以包括环境或传感器输入(如温度、二氧化碳水平、相对湿度水平、空气品质传感器输出、占用传感器输出、房间安排等)。输入还可以包括如来自公共设施的电气使用(例如，以千瓦每小时(kWh)表示)、热负载测量结果、定价信息、预计的定价、平滑定价、缩减信号等输入。

根据一些实施例，需求响应层414包括用于响应于其接收的数据和信号的控制逻辑。这些响应可以包括与集成控制层418中的控制算法进行通信、更改控制策略、更改设定值或者以受控方式激活/去激活建筑物设备或子系统。需求响应层414还可以包括被配置成确定何时利用所存储的能量的控制逻辑。例如，需求响应层414可以确定刚好在高峰使用时间开始之前开始使用来自能量存储设备427的能量。

在一些实施例中，需求响应层414包括控制模块，所述控制模块被配置成主动发起控制动作(例如，自动更改设定值)，所述控制动作基于表示或基于需求(例如，价格、缩减信号、需求等级等)的一个或多个输入来使能量成本最小化。在一些实施例中，需求响应层414使用设备模型来确定最佳控制动作集合。设备模型可以包括例如描述输入、输出和/或由各种建筑物设备组执行的功能的热力学模型。设备模型可以表示建筑物设备集合(例如，子设施、冷却器阵列等)或单独的装置(例如，单独的冷却器、加热器、泵等)。

需求响应层414可以进一步包括或利用一个或多个需求响应政策定义(例如，数据库、XML文件等)。政策定义可以由用户(例如，经由图形用户界面)编辑或调节，从而使得可以针对用户的应用、期望的舒适度、具体建筑物设备或者基于其他关注点来定制响应于需求输入而发起的控制动作。例如，需求响应政策定义可以响应于特定需求输入而指定可以开启或关掉哪些设备、系统或一件设备应该关掉多久、可以更改什么设定值、可允许的设定值调节范围是什么、在返回到正常安排的设定值之前保持高需求设定值多久、接近容量限制有多近、要利用哪种设备模式、进入和离开能量存储设备(例如，热存储罐、电池组等)的能量传递速率(例如，最大速率、报警率、其他速率边界信息等)以及何时分派现场能量生成(例如，经由燃料电池、电动发电机组等)。

集成控制层418可以被配置成使用建筑物子系统集成层420和/或需求响应层414的数据输入或输出来作出控制决策。由于子系统集成由建筑物子系统集成层420提供，集成控制层418可以集成子系统428的控制活动，从而使得子系统428表现为单个集成超系统。在示例性实施例中，集成控制层418包括控制逻辑，所述控制逻辑使用来自多个建筑物子系统的输入和输出以相对于单独的子系统可以单独提供的舒适度和节能而提供更大的舒适性和节能。例如，集成控制层418可以被配置成使用来自第一子系统的输入来为第二子系统作出节能控制决策。这些决策的结果可以被传送回建筑物子系统集成层420。

集成控制层418被示出为在逻辑上低于需求响应层414。集成控制层418可以被配置成通过配合需求响应层414而使建筑物子系统428和其对应控制环路能够被控制来增强需求响应层414的有效性。这种配置可以有利地减少相对于常规系统的破坏性需求响应行为。例如，集成控制层418可以被配置成确保对冷水温度的设定值(或者直接或间接影响温度的另一个部件)进行需求响应驱动的向上调节不会导致风扇能量(或用于冷却空间的其他能量)的增加，所述风扇能量增加将导致建筑物能量使用总量比在冷却器处节省得更多。

集成控制层418可以被配置成向需求响应层414提供反馈，从而使得需求响应层414检查即使正在进行所要求的减载时也适当地维持约束(例如，温度、照明水平等)。约束还可以包括与安全性、设备操作极限和性能、舒适度、防火规范、电气规范、能量规范等相关的设定值或感测边界。集成控制层418还可以在逻辑上低于故障检测与诊断层416以及自动测量与验证层412。集成控制层418可以被配置成基于来自多于一个建筑物子系统的输出而向这些更高层提供所计算的输入(例如，汇总)。

自动测量与验证(AM&V)层412可以被配置成验证由集成控制层418或需求响应层414命令的控制策略正适当地工作(例如，使用由AM&V层412、集成控制层418、建筑物子系统集成层420、FDD层416或其他方式汇总的数据)。由AM&V层412进行的计算可以基于用于单独的BMS装置或子系统的建筑物系统能量模型和/或设备模型。例如，AM&V层412可以将模型预测的输出与来自建筑物子系统428的实际输出进行比较以确定模型的准确度。

故障检测与诊断(FDD)层416可以被配置成为建筑物子系统428、建筑物子系统装置(即，建筑物设备)以及由需求响应层414和集成控制层418使用的控制算法提供持续故障检测。FDD层416可以从集成控制层418处、直接从一个或多个建筑物子系统或装置处或者从另一个数据源接收数据输入。FDD层416可以自动地诊断并响应检测到的故障。对检测到的或诊断到的故障的响应可以包括向用户、检修调度系统或被配置成试图修复故障或解决故障的控制算法提供警报消息。

FDD层416可以被配置成使用在建筑物子系统集成层420处可用的详细子系统输入来输出故障部件的特定标识或故障原因(例如，松动的气闸联接)。在其他示例性实施例中，FDD层416被配置成向集成控制层418提供“故障”事件，所述集成控制层响应于接收到的故障事件而执行控制策略和政策。根据一些实施例，FDD层416(或由集成控制引擎或业务规则引擎执行的政策)可以在故障设备或系统周围关闭系统或直接控制活动，以减少能量浪费、延长设备寿命或确保适当的控制响应。

FDD层416可以被配置成存储或访问各种不同的系统数据存储设备(或实时数据的数据点)。FDD层416可以使用数据存储设备的一些内容来标识设备级(例如，特定冷却器、特定AHU、特定终端单元等)故障并使用其他内容来标识部件或子系统级故障。例如，建筑物子系统428可以生成指示BMS 400及其各个部件的性能的时间(即，时间序列)数据。由建筑物子系统428生成的数据可以包括测得或计算出的值，所述测得或计算出的值展现统计特性并且提供关于相应的系统或过程(例如，温度控制过程、流量控制过程等)是如何在来自其设定值的误差方面执行的信息。FDD层416可以检查这些过程，以暴露系统何时开始性能降低并警告用户在故障变得更严重之前修复故障。

现在参照图5，示出了根据一些实施例的建筑物管理系统(BMS)500的框图。BMS500可用于监测并控制HVAC系统100、水侧系统200、空气侧系统300、建筑物子系统428的装置以及其他类型的BMS装置(例如，照明设备、安全设备等)和/或HVAC设备。

BMS 500提供促进自动设备发现和设备模型分布的系统架构。设备发现可以跨多条不同的通信总线且跨多个不同的通信协议(例如，系统总线554、区域总线556至560和564、以及传感器/致动器总线566等)而在BMS 500的多个等级上发生。在一些实施例中，使用为连接至每条通信总线的装置提供状态信息的活动节点表来完成设备发现。例如，对于新的装置，可以通过监测新节点的相对活动节点表来监测每个通信总线。当检测到新装置时，BMS 500可以开始与新装置进行交互(例如，发送控制信号、使用来自装置的数据)而不需要用户干预。

BMS 500中的一些装置使用设备模型来将其自身呈现至网络。设备模型限定用于与其他系统集成的设备对象属性、视图定义、时间表、趋势以及相关联的BACnet值对象(例如，模拟值、二值化值、多状态值等)。BMS 500中的一些装置存储其自身的设备模型。BMS500中的其他装置使得设备模型存储在外部(例如，在其他装置内)。例如，区域协调器508可以存储用于旁路气闸528的设备模型。在一些实施例中，区域协调器508在区域总线558上自动为旁路气闸528或其他装置创建设备模型。其他区域协调器还可以为连接至其的区域总线的装置创建设备模型。基于由装置暴露在区域总线上的数据点的类型、装置类型和/或其他装置属性可以自动创建用于装置的设备模型。在下文中更详细地讨论自动设备发现和设备模型分布的若干示例。

仍然参照图5，BMS 500被示出为包括：系统管理器502；若干区域协调器506、508、510和518；以及若干区域控制器524、530、532、536、548和550。系统管理器502可以监测BMS500中的数据点并且向各种监测和/或控制应用报告所监测到的变量。系统管理器502可以经由数据通信链路574(例如，BACnet Ip、以太网、有线或无线通信等)与客户端装置504(例如，用户装置、台式计算机、膝上型计算机、移动装置等)通信。系统管理器502可以经由数据通信链路574向客户端装置504提供用户界面。用户界面可以允许用户经由客户端装置504监测和/或控制BMS 500。

在一些实施例中，系统管理器502经由系统总线554与区域协调器506至510以及518相连接。系统管理器502可以被配置成使用主从令牌传递(MSTP)协议或任何其他通信协议经由系统总线554与区域协调器506至510以及518进行通信。系统总线554还可以将系统管理器502与其他装置相连接，所述其他装置诸如恒定容量(CV)屋顶单元(RTU)512、输入/输出模块(IOM)514、恒温器控制器516(例如，TEC5000系列恒温器控制器)以及网络自动化引擎(NAE)或第三方控制器520。RTU 512可以被配置成与系统管理器502直接通信并且可以直接连接至系统总线554。其他RTU可以经由中间装置与系统管理器502通信。例如，有线输入562可以将第三方RTU 542连接至恒温器控制器516，所述恒温器控制器连接至系统总线554。

系统管理器502可以为包含设备模型的任何装置提供用户界面。如区域协调器506至510以及518以及恒温器控制器516等的装置可以经由系统总线554向系统管理器502提供它们的设备模型。在一些实施例中，系统管理器502为不包含设备模型(例如，IOM 514、第三方控制器520等)的所连接装置自动创建设备模型。例如，系统管理器502可以为响应于装置树请求的任何装置创建装置模型。由系统管理器502创建的装置模型可以存储在系统管理器502内。然后，系统管理器502可以使用由系统管理器502创建的装置模型为不包含其自身的设备模型的装置提供用户界面。在一些实施例中，系统管理器502存储经由系统总线554连接的每种类型的装置的视图定义并且使用所存储的视图定义来生成装置的用户界面。

每个区域协调器506至510以及518可以经由区域总线556、558、560和564与区域控制器524、530至532、536以及548至550中的一个或多个连接。区域协调器506至510以及518可以使用MSTP协议或任何其他通信协议经由区域总线556至560以及564与区域控制器524、530至532、536以及548至550通信。区域总线556至560以及564还可以将区域协调器506至510以及518与其他类型的装置(比如，可变空气量(VAV)RTU 522和540、切换旁路(COBP)RTU526和552、旁路气闸528和546、以及PEAK控制器534和544)相连接。

区域协调器506至510以及518可以被配置成监测和命令各种分区系统。在一些实施例中，每个区域协调器506至510以及518监测并命令单独的分区系统并且经由单独的区域总线连接至分区系统。例如，区域协调器506可以经由区域总线556连接至VAV RTU 522和区域控制器524。区域协调器508可以经由区域总线558连接至COBP RTU 526、旁路气闸528、COBP区域控制器530和VAV区域控制器532。区域协调器510可以经由区域总线560连接至PEAK控制器534和VAV区域控制器536。区域协调器518可以经由区域总线564连接至PEAK控制器544、旁路气闸546、COBP区域控制器548以及VAV区域控制器550。

区域协调器506至510以及518的单个模型可以被配置成处理多种不同类型的分区系统(例如，VAV分区系统、COBP分区系统等)。每个分区系统可以包括RTU、一个或多个区域控制器和/或旁路气闸。例如，区域协调器506和510被示出为分别连接至VAV RTU 522和540的Verasys VAV引擎(VVE)。区域协调器506经由区域总线556直接连接至VAV RTU 522，而区域协调器510经由提供至PEAK控制器534的有线输入568连接至第三方VAV RTU 540。区域协调器508和518被示出为分别连接至COBP RTU 526和552的Verasys COBP引擎(VCE)。区域协调器508经由区域总线558直接连接至COBP RTU 526，而区域协调器518经由提供至PEAK控制器544的有线输入570连接至第三方COBP RTU 552。

区域控制器524、530至532、536和548至550可以经由传感器/致动器(SA)总线与各个BMS装置(例如，传感器、致动器等)通信。例如，VAV区域控制器536被示出为经由SA总线566连接至联网传感器538。区域控制器536可以使用MSTP协议和任何其他通信协议与联网传感器538通信。虽然在图5中仅示出了一条SA总线566，但应该理解的是，每个区域控制器524、530至532、536以及548至550可以连接至不同的SA总线。每条SA总线可以将区域控制器与各种传感器(例如，温度传感器、湿度传感器、压力传感器、光传感器、占用传感器等)、致动器(例如，气闸致动器、阀门致动器等)和/或其他类型的可控设备(例如，冷却器、加热器、风扇、泵等)相连接。

每个区域控制器524、530至532、536以及548至550可以被配置成监测和控制不同的建筑物区域。区域控制器524、530至532、536以及548至550可以使用经由其SA总线提供的输入和输出来监测和控制各建筑物区域。例如，区域控制器536可以使用经由SA总线566从联网传感器538接收到的温度输入(例如，建筑物区域的测量温度)作为温度控制算法中的反馈。区域控制器524、530至532、536以及548至550可以使用各种类型的控制算法(例如，基于状态的算法、极值搜索控制(ESC)算法、比例积分(PI)控制算法、比例-积分-微分(PID)控制算法、模型预测控制(MPC)算法、反馈控制算法等)来控制建筑物10中或周围的可变状态或条件(例如，温度、湿度、气流、照明等)。

极值搜索控制系统

现在参照图6，根据一些实施例，示出了使用周期性抖动信号的极值搜索控制(ESC)系统600的框图。ESC系统600被示出为包括极值搜索控制器602、以及设施604。控制理论中的设施是过程与一个或多个机械控制输出的组合。例如，设施604可以是被配置用于经由一个或多个机械控制的致动器和/或气闸来控制建筑物空间内的温度的空气处理单元。在各种实施例中，设施604可以包括冷却器操作过程、气闸调节过程、机械冷却过程、通风过程、制冷过程、或其中设施604的输入变量(即，受操纵变量u)被调节以影响来自设施604的输出(即，性能变量y)的任何其他过程。

极值搜索控制器602使用极值搜索控制逻辑来对受操纵变量u进行调节。例如，控制器602可以使用周期性(例如，正弦)扰动信号或抖动信号来扰动受操纵变量u的值以便提取性能梯度p。受操纵变量u可以通过向性能变量u的DC值添加周期性振荡来扰动，所述DC值可由反馈控制环路来确定。性能梯度p表示性能变量y相对于受操纵变量u的梯度或斜率。控制器602使用极值搜索控制逻辑来确定使性能梯度p趋向于零的受操纵变量u的值。

控制器602可以基于作为反馈经由输入接口610从设施604接收到的性能变量y的测量结果或其他示值而确定受操纵变量u的DC值。来自设施604的测量结果可以包括但不限于从传感器接收的关于设施604的状态的信息或发送到系统中的其他装置的控制信号。在一些实施例中，性能变量y是阀门354至356中的一个的测量或观察位置。在其他实施例中，性能变量y是测量或计算的功耗量、风扇速度、气闸位置、温度、或可由设施604测量或计算的任何其他变量。性能变量y可以是极值搜索控制器602进行搜索以经由极值搜索控制技术优化的变量。性能变量y可以由设施604输出或者在设施604处观察到(例如，经由传感器)并且在输入接口610处提供给极值搜索控制器。

输入接口610将性能变量y提供给性能梯度探测器612以检测性能梯度614。性能梯度614可以指示函数y＝f(u)的斜率，其中，y表示从设施604接收到的性能变量，而u表示提供给设施604的受操纵变量。当性能梯度614为零时，性能变量y具有极值(例如，最大值或最小值)。因此，极值搜索控制器602可以通过使性能梯度614趋向于零来优化性能变量y的值。

受操纵变量更新器616基于性能梯度614而产生经更新受操纵变量u。在一些实施例中，受操纵变量更新器616包括使性能梯度614趋向于零的积分器。受操纵变量更新器616然后经由输出接口618将经更新受操纵变量u提供给设施604。在一些实施例中，受操纵变量u作为控制信号经由输出接口618被提供给气闸324至328(图2)中的一个或影响气闸324至328的致动器。设施604可以使用受操纵变量u作为设定值来调整气闸324至328的位置并且由此控制室外空气314与提供给温控空间的回流空气304的相对比例。

现在参照图7，根据一些实施例，示出了使用周期性抖动信号的另一个ESC系统700的框图。ESC系统700被示出为包括设施704和极值搜索控制器702。控制器702使用极值搜索控制策略来优化作为来自设施704的输出接收到的性能变量y。优化性能变量y可以包括最小化y、最大化y、控制y以实现设定值，或以其他方式调节性能变量y的值。

设施704可以与如参照图3所描述的设施604相同或类似于设施604。例如，设施704可以是过程与一个或多个机械控制输出的组合。在一些实施例中，设施704是被配置用于经由一个或多个机械控制的致动器和/或气闸来控制建筑物空间内温度的空气处理单元。在其他实施例中，设施704可以包括冷却器操作过程、气闸调节过程、机械冷却过程、通风过程、或基于一个或多个控制输入生成输出的任何其他过程。

设施704可以在数学上表示为输入动态722、性能图724、输出动态726、以及干扰d的组合。在一些实施例中，输入动态722是线性时不变(LTI)输入动态并且输出动态726是LTI输出动态。性能图724可以是静态非线性的性能图。干扰d可以包括过程噪声、测量噪声或两者的组合。虽然图7中示出了设施704的部件，但应当注意，为了应用ESC，不需要知道设施704的实际数学模型。

设施704经由输出接口730从极值搜索控制器702接收控制输入u(例如，控制信号、受操纵变量等)。输入动态722可以使用控制输入u来基于控制输入(例如，x＝f(u))生成功能信号x。功能信号x可以传递到性能图724，所述性能图根据功能信号(即，z＝f(x))来生成输出信号z。输出信号z可以通过输出动态726传递以产生信号z′，可以在元件728处由干扰d来修改所述信号以产生性能变量y(例如，y＝z＇+d)。性能变量y被提供作为来自设施704的输出并且在极值搜索控制器702处被接收。极值搜索控制器702可以进行搜索以找到优化性能图724的输出z和/或性能变量y的x和/或u的值。

仍然参照图7，极值搜索控制器702被示出为经由输入接口732来接收性能变量y并且将性能变量y提供给控制器702内的控制环路705。控制环路705被示出为包括高通滤波器706、解调元件708、低通滤波器710、积分器反馈控制器712、以及抖动信号元件714。控制环路705可以被配置用于使用抖动解调技术从性能变量y中提取性能梯度p。积分器反馈控制器712分析性能梯度p并且调整设施输入的DC值(即，变量w)以使性能梯度p趋向于零。

抖动解调技术的第一步骤由抖动信号发生器716和抖动信号元件714执行。抖动信号发生器716生成周期性抖动信号v，所述周期性抖动信号通常是正弦信号。抖动信号元件714接收来自抖动信号发生器716的抖动信号v以及来自控制器712的设施输入的DC值w。抖动信号元件714结合抖动信号v与设施输入的DC值w，以生成提供至设施704的扰动控制输入u(例如，u＝w+v)。扰动控制输入u被提供至设施704并且如前所述的由设施704用于生成性能变量y。

抖动解调技术的第二步骤由高通滤波器706、解调元件708、以及低通滤波器710来执行。高通滤波器706对性能变量y进行滤波并且将经滤波的输出提供给解调元件708。解调元件708通过将经滤波的输出乘以具有施加的相移718的抖动信号v来解调高通滤波器706的输出。此乘法的DC值与性能变量y相对于控制输入u的性能梯度p成比例。解调元件708的输出被提供给低通滤波器710，所述低通滤波器提取性能梯度p(即，解调输出的DC值)。然后将性能梯度p的估计值提供给积分器反馈控制器712，所述积分器反馈控制器通过调整设施输入u的DC值w来使性能梯度估计p趋向于零。

仍参照图7，极值搜索控制器702被示出为包括放大器720。可能需要放大抖动信号v，以使得抖动信号v的幅度大到足以使抖动信号v的效应在设施输出y中是明显的。即使在控制输入u的DC值w保持不变的情况下，抖动信号v的较大幅度也会导致控制输入u发生较大变化。由于抖动信号v的周期性，设施操作人员通常可注意到设施输入u的较大变化(即，由抖动信号v引起的振荡)。

此外，可能需要仔细选择抖动信号v的频率，以确保ESC策略是有效性的。例如，可能需要基于设施604的固有频率ω_n选择抖动信号频率ω_v，以增强抖动信号v对性能变量y的影响。在不知道设施704的动态的情况下，正确选择抖动频率ω_v可能是困难和具有挑战性的。出于这些原因，使用周期性抖动信号v是传统ESC的缺点之一。

在ESC系统700中，高通滤波器706的输出可以表示为性能变量y的值与性能变量y的期望值之间的差值，如下式所示：

高通滤波器的输出：y-E[y]

其中，变量E[y]是性能变量y的预期值。由解调元件708执行的互相关的结果(即，解调元件708的输出)可以被表示为高通滤波器输出与经相移的抖动信号的乘积，如以下等式所示：

互相关的结果：(y-E[y])(v-E[v])

其中，变量E[v]是抖动信号v的预期值。低通滤波器710的输出可以表示为抖动信号v与性能变量y的协方差，如以下等式所示：

低通滤波器的输出：E[(y-E[y])(v-E[u])]≡Cov(v,y)

其中，变量E[u]是控制输入u的预期值。

前述等式表明ESC 700生成对抖动信号v与设施输出(即，性能变量y)之间的协方差Cov(v,y)的估计。协方差Cov(v,y)可以在ESC系统700中用作性能梯度p的代理。例如，协方差Cov(v,y)可以由高通滤波器706、解调元件708、以及低通滤波器710来计算，并且将其作为反馈输入提供给积分器反馈控制器712。积分器反馈控制器712可以调节设施输入u的DC值w，以使作为反馈控制环路的组成部分的协方差Cov(v,y)最小化。

使用约束处理的极值搜索控制系统

现在参照图8，根据一些实施例，示出了使用约束处理的ESC系统800。ESC系统800包括极值搜索控制器802，所述极值搜索控制器包括如图6的极值搜索控制器602的性能梯度探测器612、受操纵变量更新器616、输入接口610和输出接口618。然而，ESC系统800的极值搜索控制器802还包括被结构化为监视并对受设施604影响的约束变量强加约束的约束处理程序804。

设施604可操作用于向极值搜索控制器802的输入接口610提供性能变量y和受约束变量c的数据。性能变量y是ESC系统800寻求以通过找到函数y＝f(u)的极值来优化的变量，其中，u是设施604的输入，并且f是限定设施604对输入u的动态响应的函数，如上所述。约束变量c是设施604的可被测量或以其他方式由设施604提供的另一个输出。约束变量c对性能变量y的优化提供约束。例如，y可以是建筑物的加热系统的功耗，而c可以是建筑物的室内空气温度。不考虑室内空气温度c的情况下，y的功耗的极值搜索可能导致室内空气温度c下降至可接受水平以下。因此，ESC系统800使用c来提供对y的极值搜索的约束，如以下更详细描述的。

约束处理程序804接收来自输入接口610的性能变量y和约束变量c的数据。约束处理程序804使用y和c来计算经修改成本函数y’。更具体地，约束处理程序804将经修改成本函数y’计算为：

y′＝y(1+π(c))等式1

其中，y’是经修改成本函数，c是受制于约束的变量，并且π(.)是根据c违反约束的程度而单调地增大的惩罚函数。

为了计算π(c)，约束处理程序804通过利用死区非线性d(.)实现了简单的边界约束。图10的曲线图1000中展示了死区函数d(.)。约束变量在水平轴1002上用c来表示，并且死区的输出用竖直轴1004上的D来表示。值c_最小和c_最大与变量c的期望下限和上限相对应。在c_最小与c_最大之间的c值处，死区函数d(.)为零。值c_最小和c_最大之外，死区函数d(.)的斜率单调地远离零。

约束处理程序804计算死区函数d(c)的值，并且然后通过对输出d(c)求平方或取绝对值来去除符号(即，负方向)。约束处理程序804然后将惩罚函数π(c)计算为：

π(u)＝αd(c)²等式2

其中，α是缩放参数，其可以被设置为在边界处实施硬约束的较大值或者在边界处实施软约束的较小值。

由此，约束处理程序804计算经修改成本函数y＇＝y(1+π(c))。约束处理程序804向性能梯度探测器612提供经修改成本函数y’。性能梯度探测器612以与如以上参照图6针对y所描述的相同或类似的方式来处理y’。由此，性能梯度探测器612生成性能梯度p，所述性能梯度由受操纵变量更新器616使用来生成经更新受操纵变量u，以用于控制设施604朝着将经修改成本函数y'的性能梯度p最小化。

现在参照图9，根据一些实施例，示出了用于使用约束处理的极值搜索控制的过程900的流程图。过程900可以由图800的极值搜索控制器802来执行。在步骤902处，极值搜索控制器802向输入信号添加抖动信号，例如，如以上参照图6至图7所描述的。在步骤904处，此组合输入被提供至设施604以控制设施604。设施604如被控制一样进行操作以生成性能变量y和约束变量c的数据。例如，可以以预定间隔来取得y和c的数据样本。

在步骤906处，极值搜索控制器802接收来自所述设施的约束变量c的数据。也就是说，极值搜索控制器802在特定时间步长上接收c的值。在步骤908处，极值搜索控制器802计算约束惩罚π(c)＝αd(c)²。也就是说，极值搜索控制器802使用从所述设施接收的数据、对d(c)的这个值求平方、并且将所述结果乘以缩放参数α来确定d(c)的值。

在步骤910处，极值搜索控制器802接收来自设施604的性能变量y的数据。也就是说，极值搜索控制器802在特定时间步长上接收y的值。在一些情况下，性能变量y是根据从设施604接收的多个数据点来计算的(例如，y是设施604的两个部件的组合功耗)。在步骤912处，极值搜索控制器802基于性能变量y的数据和在步骤908处计算的π(c)的值来计算经修改成本函数y＇＝y(1+π(c))。

在步骤914处，极值搜索控制器802基于经修改成本函数y’来计算性能梯度p。因此，性能梯度p捕获约束惩罚π(c)的影响。

在步骤916处，极值搜索控制器802生成经更新输入信号以将性能梯度p最小化。也就是说，极值搜索控制器802生成经更新输入信号以达到经修改成本函数y’的极值。然后，过程900返回到步骤902，其中，抖动信号被添加至输入信号。过程900由此可以作为环路运行以达到并且维持经修改成本函数y’的极值。

HVAC系统中使用约束处理的极值搜索控制

上述惩罚函数的方法本质上是通用的并且并不特定于特定应用。然而，本节将描述此方法如何应用于建筑物中经常遇到的一个特定问题。ESC经常用于将HVAC系统(例如，图11的屋顶单元1100)中的能量(或功率)最小化。图11中描绘的此示例用于调整屋顶单元1100中的供应空气温度的设定值以便通过找到风扇功率与压缩机功率之间的最佳折衷来将功率最小化。常规ESC算法在功率方面来定位供应空气温度的最佳设定值，但这可能导致房间控制器无法满足其温度或湿度要求的情况。

为了解决上述问题，如图11中所示的通信地耦合至屋顶单元1100的极值搜索控制器802将图9的约束处理方法应用于房间的温度T_r和相对湿度φ_r两者。ESC的成本函数可以修改为下式：

y′＝y(1+α₁d_T(T_r)²2+α₂d_φ(φ_r)²)等式3

其中，y是压缩机和蒸发器风扇的组合功率(与冷凝器风扇相关联的功率在此示例中未考虑)(即，y＝P_压缩机+P_{蒸发器风扇})，并且d_T(.)和d_φ(.)表示温度和相对湿度的对应死区。这些死区中的每一个具有限定约束的狭窄程度的上限和下限。在一些实施例中，这些约束至少足够宽以包含ESC抖动动作对供应空气温度带来的变量变化。实际上，可以手动限定或自动估计这些约束边界。

这两个惩罚项的作用在图12至图15中可见，其中，绘制了供应空气温度设定值的模拟结果、压缩机和蒸发器风扇的组合功率、房间空气温度、以及房间空气相对湿度。图12中的曲线图1200绘制了相对于时间的供应空气温度设定值。图13中的曲线图1300绘制了相对于时间的功率。图14中的曲线图1400绘制了相对于时间的房间温度T_r。图15中的曲线图1500绘制了相对于时间的相对湿度φ_r。

在此模拟中，由屋顶单元1100服务的房间受制于恒定的冷却负载。房间空气温度设定值和供应空气温度设定值分别为初始地23℃和14℃。在t＝20,000秒处开始，房间空气温度设定值线性地降低，直到其值为22.5℃。在这些条件下，屋顶单元1100无法满足房间空气温度设定值(供应风扇达到其最大速度，但房间温度为大约22.9℃)。然后，在时间t＝30,000秒处接通极值搜索控制器802。

在第一模拟中，等式3的惩罚项被设置为零，以使得ESC的成本函数仅包括压缩机和蒸发器风扇的组合功率。当极值搜索控制器802接通时，极值搜索控制器802确定可以通过升高供应空气温度设定值来将功率最小化，从而降低压缩机功率而不会影响风扇功率(因为其已经处于其最大值)。因此，ESC驱使供应空气温度设定值为其最大允许值15℃，并且房间温度升高至大约23.7℃的平均值。房间空气相对湿度基本上未发生变化。

在第二模拟中，使用α₁＝1和α₂＝1来采用等式3中的惩罚项。温度和相对湿度的死区的下限和上限是自动估计的并在整个模拟过程中变化。图12示出了惩罚项使极值搜索控制器802驱使供应空气温度设定值为大约10.6℃的值。在此工作点处，压缩机和蒸发器风扇的组合功率小于不使用惩罚项的情况(参见图11)，并且房间空气温度达到其设定值22.5℃。较低的供应空气温度设定值还导致更低的房间空气相对湿度。

示例性实施例的配置

如各示例性实施例中所示出的系统和方法的构造和安排仅是说明性的。尽管本披露中仅详细描述了几个实施例，但是许多修改是可能的(例如，各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例、参数的值、安装安排、材料的使用、颜色、取向等的变化)。例如，元件的位置可以颠倒或以其他方式变化，并且离散元件的性质或数量或位置可以更改或变化。因此，所有这类修改旨在被包括在本披露的范围之内。可以根据替代实施例对任何过程或方法步骤的顺序或序列进行改变或重新排序。在不脱离本披露范围的情况下，可以在示例性实施例的设计、操作条件和安排方面作出其他替代、修改、改变、和省略。

本披露假设了用于完成各操作的方法、系统和任何机器可读介质上的程序产品。可以使用现有计算机处理器或由结合用于此目的或另一目的的适当系统的专用计算机处理器或由硬接线系统来实施本披露的实施例。本披露范围内的实施例包括程序产品，所述程序产品包括用于携带或具有存储在其上的机器可执行指令或数据结构的机器可读介质。这种机器可读介质可以是可由通用或专用计算机或具有处理器的其他机器访问的任何可用介质。举例来讲，这类计算机可读介质可以包括RAM、ROM、EPROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储设备、磁盘存储设备或其他磁存储设备等，或者可以用来以机器可执行指令或数据结构的形式携带或存储所期望的程序代码并且可以由通用或专用计算机或具有处理器的其他机器访问的任何其他介质。上述内容的组合也包括在机器可读介质的范围内。机器可执行指令包括例如使得通用计算机、专用计算机或专用处理机执行特定功能或功能组的指令和数据。

尽管附图示出了指定顺序的方法步骤，但是步骤的顺序可以不同于所描绘的。还可以同时或部分同时地执行两个或更多个步骤。这种变型将取决于所选软件和硬件系统以及设计者的选择。所有这种变型都在本披露的范围内。同样地，可以用具有基于规则的逻辑和用以实现各连接步骤、处理步骤、比较步骤和判定步骤的其他逻辑的标准编程技术来实现软件实施方式。

Claims

1.一种极值搜索控制系统，包括：

设施，可操作用于影响建筑物的可变状态或条件；

极值搜索控制器，被配置用于：

向所述设施提供控制输入并且接收性能变量作为来自所述设施的第一反馈，其中，所述设施使用所述控制输入来影响所述性能变量；

接收约束变量作为来自所述设施的第二反馈；

通过将惩罚函数应用于所述约束变量来计算性能惩罚；

使用所述性能惩罚修改所述性能变量以生成经修改成本函数；

估计所述经修改成本函数相对于所述控制输入的梯度；以及

通过调节所述控制输入而使所述经修改成本函数的所述梯度趋向于零。

2.如权利要求1所述的极值搜索控制系统，其中，所述惩罚函数基于所述约束变量偏离预定范围的量而单调地增大。

3.如权利要求2所述的极值搜索控制系统，其中，所述极值搜索控制器进一步被配置用于确定所述预定范围。

4.如权利要求1所述的极值搜索控制系统，其中，所述惩罚函数基于死区函数，所述死区函数：

当所述约束变量在所述约束变量的最小值与所述约束变量的最大值之间时具有零值；

当所述约束变量低于所述最小值时线性地减小；以及

当所述约束变量高于所述最大值时线性地增大。

5.如权利要求4所述的极值搜索控制系统，其中，所述极值搜索控制器被配置用于通过以下各项来计算所述性能惩罚：

基于所述约束变量来计算所述死区函数的值以生成死区值；以及

计算所述死区值的平方或绝对值。

6.如权利要求5所述的极值搜索控制系统，其中，所述极值搜索控制器进一步被配置用于通过将所述死区值的所述平方或绝对值乘以缩放参数来计算所述性能惩罚。

7.如权利要求1所述的极值搜索控制系统，其中，所述极值搜索控制器被配置用于：通过将所述性能变量与一加上所述性能惩罚之和相乘，使用所述性能惩罚来修改所述性能变量以生成所述经修改成本函数。

8.如权利要求1所述的极值搜索控制系统，其中，所述极值搜索控制器被配置用于使用抖动信号来增强所述控制输入。

9.一种方法，包括：

操作设施以影响建筑物的可变状态或条件；

接收约束变量作为来自所述设施的第二反馈；

通过将惩罚函数应用于所述约束变量来计算性能惩罚；

估计所述经修改成本函数相对于所述控制输入的梯度；以及

10.如权利要求9所述的方法，其中，所述惩罚函数基于所述约束变量偏离预定范围的量而单调地增大。

11.如权利要求10所述的方法，进一步包括自动地确定所述预定范围。

12.如权利要求9所述的方法，其中，所述惩罚函数基于死区函数，所述死区函数：

当所述约束变量低于所述最小值时线性地减小；以及

当所述约束变量高于所述最大值时线性地增大。

13.如权利要求12所述的方法，其中，计算所述性能惩罚包括：

计算所述死区值的平方或绝对值。

14.如权利要求13所述的方法，其中，计算所述性能惩罚进一步包括将所述死区的所述平方或绝对值乘以缩放参数。

15.如权利要求9所述的方法，其中，使用所述性能惩罚修改所述性能变量以生成所述经修改成本函数包括将所述性能变量与一加上所述性能惩罚之和相乘。

16.如权利要求9所述的方法，进一步包括使用抖动信号来增强所述控制输入。

17.一种极值搜索控制器，包括：

约束处理程序，通信地耦合至设施以接收性能变量和约束变量，所述设施可操作用于响应于来自所述极值搜索控制器的控制输入来影响所述性能变量和所述约束变量，并且所述约束处理程序被配置用于：

通过将惩罚函数应用于所述约束变量来计算性能惩罚；

以及向性能梯度探测器提供所述经修改成本函数，所述性能梯度探测器被配置用于估计所述经修改成本函数相对于所述控制输入的梯度并且向受操纵变量更新器提供所述梯度；

其中，所述受操纵变量更新器被配置用于生成用于所述设施使所述梯度趋向于零的经更新控制信号。

18.如权利要求17所述的极值搜索控制器，其中，所述惩罚函数基于所述约束变量偏离预定范围的量而单调地增大。

19.如权利要求17所述的极值搜索控制器，其中，所述受操纵变量更新器被配置用于使用抖动信号来增强所述经更新控制信号。

20.如权利要求17所述的极值搜索控制器，其中，所述约束处理程序被配置用于：通过将所述性能变量与一加上所述性能惩罚之和相乘，使用所述惩罚函数来修改所述性能变量以生成所述经修改成本函数。