CN109386934B - 具有协作极值搜索控制的建筑物控制系统 - Google Patents

具有协作极值搜索控制的建筑物控制系统 Download PDF

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Abstract

一种协作极值搜索控制系统包括第一控制器和第二控制器。所述第一控制器被配置用于向第一设施提供第一控制输入并接收第一性能变量作为来自所述第一设施的反馈。所述第二控制器被配置用于向与所述第一设施交互的第二设施提供第二控制输入、接收第二性能变量作为来自所述第二设施的反馈、并将所述第二性能变量提供给所述第一控制器。所述第一控制器进一步被配置用于聚合所述第一性能变量和所述第二性能变量以确定总性能变量、计算所述总性能变量相对于所述第一控制输入的梯度、使用所述总性能变量的所述梯度生成第三控制输入、并将所述第三控制输入提供给所述第一设施。

Description

具有协作极值搜索控制的建筑物控制系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年8月2日提交的美国临时专利申请号62/540,466的权益和优先权，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。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系统可以包括在独立但相互作用的设备上操作的一个或多个极值搜索控制器。
发明内容
本披露的一种实施方式是一种协作极值搜索控制系统，所述协作极值搜索控制系统包括第一极值搜索控制器和第二极值搜索控制器。所述第一控制器被配置用于向第一设施提供第一控制输入并接收第一性能变量作为来自所述第一设施的反馈。所述第二控制器被配置用于向与所述第一设施交互的第二设施提供第二控制输入、接收第二性能变量作为来自所述第二设施的反馈、并将所述第二性能变量提供给所述第一控制器。所述第一控制器进一步被配置用于聚合所述第一性能变量和所述第二性能变量以确定总性能变量、计算所述总性能变量相对于所述第一控制输入的梯度、使用所述总性能变量的所述梯度生成第三控制输入、并将所述第三控制输入提供给所述第一设施。所述第一设施使用所述第三控制输入来操作所述第一设施的设备，从而影响所述第一设施的可变状态或状况。
在一些实施例中，所述总性能变量指示所述第一设施和所述第二设施的总功耗。
在一些实施例中，所述第三控制输入是温度设定值、压力设定值、速度设定值或阀位置。
在一些实施例中，所述第一性能变量指示功耗、温度、压力、流量、湿度、空气品质或阀位置。
在一些实施例中，所述第一控制器进一步被配置用于使所述总性能变量相对于所述第一控制输入的所述梯度趋向于零，以便生成所述第三控制输入。
在一些实施例中，所述第一设施是空气处理单元(AHU)、冷却水设施、可变制冷剂流动(VRF)系统或蒸气压缩系统。
在一些实施例中，所述第一控制器进一步被配置用于过滤来自所述第一性能变量的干扰。
本披露的另一种实施方式是一种协作极值搜索控制方法。所述方法包括：向第一控制系统提供第一控制输入并接收第一性能变量作为来自所述第一控制系统的反馈。所述方法进一步包括：从与所述第一控制系统交互的第二控制系统接收第二性能变量；以及聚合所述第一性能变量和所述第二性能变量以确定总性能变量。所述方法进一步包括：计算所述总性能变量相对于所述第一控制输入的梯度；使用所述总性能变量的所述梯度生成第二控制输入；以及向所述第一控制系统提供所述第二控制输入。所述方法进一步包括：使用所述第二控制输入来操作所述第一控制系统的设备，从而影响所述第一控制系统的可变状态或状况。
在一些实施例中，所述总性能变量指示所述第一控制系统和所述第二控制系统的总功耗。
在一些实施例中，所述第二控制输入是温度设定值、压力设定值、速度设定值或阀位置。
在一些实施例中，所述第一性能变量指示功耗、温度、压力、流量、湿度、空气品质或阀位置。
在一些实施例中，使用所述总性能变量的所述梯度生成所述第二控制输入包括使所述总性能变量相对于所述第一控制输入的所述梯度趋向于零。
在一些实施例中，所述第一控制系统是空气处理单元(AHU)、冷却水设施、可变制冷剂流动(VRF)系统或蒸气压缩系统。
在一些实施例中，所述方法进一步包括过滤来自所述第一性能变量的干扰。
本披露的又一实施方式是一种极值搜索控制器。所述控制器被配置用于向第一控制系统提供第一控制输入并接收第一性能变量作为来自所述第一控制系统的反馈。所述控制器进一步被配置用于从与所述第一控制系统交互的第二控制系统接收第二性能变量并且聚合所述第一性能变量和所述第二性能变量以确定总性能变量。所述控制器进一步被配置用于计算所述总性能变量相对于所述第一控制输入的梯度、使用所述总性能变量的所述梯度生成第二控制输入、并且向所述第一控制系统提供所述第二控制输入。所述第一控制系统使用所述第二控制输入来操作所述第一控制系统的设备，从而影响所述第一控制系统的可变状态或状况。
在一些实施例中，所述总性能变量指示所述第一控制系统和所述第二控制系统的总功耗。
在一些实施例中，所述第二控制输入是温度设定值、压力设定值、速度设定值或阀位置。
在一些实施例中，所述第一性能变量指示功耗、温度、压力、流量、湿度、空气品质或阀位置。
在一些实施例中，所述控制器进一步被配置用于使所述总性能变量相对于所述第一控制输入的所述梯度趋向于零，以便生成所述第二控制输入。
在一些实施例中，所述第一控制系统是空气处理单元(AHU)、冷却水设施、可变制冷剂流动(VRF)系统或蒸气压缩系统。
本领域技术人员将了解，本概述仅为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可以实施极值搜索控制系统的建筑物的图示。
图2是根据一些实施例的可以实施极值搜索控制系统的建筑物HVAC系统的框图。
图3是根据一些实施例的使用抖动信号来扰动提供至设施的控制输入的极值搜索控制系统的框图。
图4是根据一些实施例的使用抖动信号来扰动提供至设施的控制输入的另一个极值搜索控制系统的框图。
图5是根据一些实施例的用于多个交互系统的极值搜索控制系统的框图，所述极值搜索控制系统使用集中式性能变量聚合器来计算有待由交互系统中的每一个优化的性能变量。
图6是根据一些实施例的用于多个交互系统的极值搜索控制系统的框图，所述极值搜索控制系统使用两个或更多个极值搜索控制器之间的协作来找到全局最优解。
图7是根据一些实施例的更详细地展示了图6的极值搜索控制器中的一个极值搜索控制器的框图。
图8是根据一些实施例的两个屋顶单元的由协作极值搜索控制器修改的供应空气设定值随时间推移而变化的曲线图。
图9是根据一些实施例的两个屋顶单元的由协作极值搜索控制器修改的功耗以及这两个单元的总功率随时间推移而变化的曲线图。
图10是展示了根据一些实施例的协作极值搜索控制技术的流程图。
图11是根据一些实施例的可以实施本披露的系统和方法的冷却水设施的框图。
图12是根据一些实施例的可以实施本披露的系统和方法的可变制冷剂流动系统的框图。
图13是根据一些实施例的可以实施本披露的系统和方法的蒸气压缩系统的框图。
具体实施方式
概述
总体上参照附图，根据一些实施例，示出了各种极值搜索控制(ESC)系统和方法。通常，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的各种实施方式详细描述于美国专利号8,473,080、美国专利号7,827,813、美国专利号8,027,742、美国专利号8,200,345、美国专利号8,200,344、美国专利申请号14/495,773、美国专利申请号14/538,700、美国专利申请号14/975,527、以及美国专利申请号14/961,747中。这些专利和专利申请中的每一者都以引用方式并入本文。
在一些实施例中，极值搜索控制系统由在独立但相互作用的设备上操作的两个或更多个极值搜索控制器组成。系统中的所有控制器都可以以对等方式连接以便共享性能变量数据。然后，控制器可以被配置用于基于此数据来计算总性能变量，以便为ESC系统找到全局最优解。以下更详细地描述了协作极值搜索控制系统的附加特征和优点。
建筑物和HVAC系统
现在参照图1至图2，根据一些实施例，示出了可以实施极值搜索控制系统的建筑物10和HVAC系统20。虽然主要在建筑物HVAC系统的上下文中描述了本披露的ESC系统和方法，但是应当理解，ESC通常适用于优化或调节兴趣变量的任何类型的控制系统。例如，本披露的ESC系统和方法可用于优化由各种类型的能量产生系统或装置(例如，发电厂、蒸汽或风力涡轮机、太阳能电池板、燃烧系统等)产生的能量的量和/或用于优化由各种类型的能量消耗系统或装置(例如，电子电路系统、机械设备、基于航空航天和陆地的交通工具、建筑设备、HVAC装置、制冷系统等)消耗的能源量。
在各种实施方式中，可以在任何类型的控制器中使用ESC，所述控制器起作用以实现兴趣变量的设定值(例如，通过最小化所测量或计算的输入与设定值之间的差)和/或优化兴趣变量(例如，使输出变量最大化或最小化)。可以预期的是可以在各种类型的控制器(例如，马达控制器、功率控制器、流体控制器、HVAC控制器、照明控制器、化学控制器、过程控制器等)和各种类型的控制系统(例如，闭环控制系统、开环控制系统、反馈控制系统、前馈控制系统等)中容易地实施ESC。所有这类实施方式应被视为在本披露的范围内。
具体参照图1，示出了建筑物10的透视图。建筑物10由HVAC系统20服务。HVAC系统20被示出为包括冷却器22、锅炉24、屋顶冷却单元26、以及多个空气处理单元(AHU)36。HVAC系统20使用流体循环系统来为建筑物10提供加热和/或冷却。可以在冷却器22中冷却或在锅炉24中加热循环流体，这取决于是需要冷却还是加热。锅炉24可以通过燃烧易燃材料(例如，天然气)来向循环流体添加热量。冷却器22可以使循环流体与热交换器(例如，蒸发器)中的另一种流体(例如，制冷剂)处于热交换关系。制冷剂在蒸发过程期间从循环流体中去除热量，从而冷却循环流体。
可以经由管路32将来自冷却器22或锅炉24的循环流体输送到AHU 36。AHU 36可以使循环流体与穿过AHU 36的气流处于热交换关系。例如，气流可以经过风扇盘管单元或其他空调终端单元中循环流体所流过的管路。AHU 36可以在气流与循环流体之间传递热量，从而为气流提供加热或冷却。加热或冷却的空气可以经由包括空气供应管道38的空气分配系统输送到建筑物10，并且可以经由空气回流管道40回流到AHU 36。在图1中，HVAC系统20被示出为包括在建筑物10的每一个楼层上的独立AHU 36。在其他实施例中，单个AHU(例如，屋顶AHU)可以为多个楼层或区域供应空气。来自AHU 36的循环流体可以经由管路34回流到冷却器22或锅炉24。
在一些实施例中，冷却器22中的制冷剂在从循环流体吸收热量时蒸发。蒸气制冷剂可以提供给冷却器22内的压缩机，在所述压缩机中，制冷剂的温度和压力升高(例如，使用旋转叶轮、螺杆式压缩机、涡旋式压缩机、往复式压缩机、离心式压缩机等)。经压缩的制冷剂可以排放到冷却器22内的冷凝器中。在一些实施例中，水(或另一种冷却流体)流过冷却器22的冷凝器中的管以从制冷剂蒸气吸收热量，从而使制冷剂冷凝。流过冷凝器中的管的水可以经由管路28从冷却器22泵送到屋顶冷却单元26。冷却单元26可以使用风扇驱动的冷却或风扇驱动的蒸发来从水中去除热量。屋顶单元26中的冷却水可以经由管路30输送回冷却器22，并且所述循环重复。
现在参照图2，根据一些实施例，示出了更详细地展示了HVAC系统20的一部分的框图。在图2中，AHU 36被示出为节能装置类型的空气处理单元。节能装置类型的空气处理单元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 36可以经由回流空气管道40从建筑物10接收回流空气82并且可以经由供应空气管道38将供应空气86递送至建筑物10。AHU 36可以被配置用于操作排气闸60、混合气闸62和外部空气闸64以便控制组合形成供应空气86的外部空气80和回流空气82的量。未通过混合气闸62的任何回流空气82可以通过排气闸60从AHU 36排出为废气84。
气闸60至64中的每一个可以由致动器操作。如图2中所示，排气闸60由致动器54操作，混合气闸62由致动器56操作，并且外部空气闸64由致动器58操作。致动器54至58可以经由通信链路52与AHU控制器44通信。AHU控制器44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、ESC算法、PID控制算法、模型预测控制算法等)来控制致动器54至58的节能装置控制器。可以由AHU控制器44使用的ESC方法的示例将参照图8至图9进行更详细的描述。
致动器54至58可以从AHU控制器44接收控制信号并且可以向AHU控制器44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54至58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54至58收集、存储或使用的其他类型的信息或数据。
仍然参照图2，AHU 36被示出为包括冷却盘管68、加热盘管70和风扇66。在一些实施例中，冷却盘管68、加热盘管70和风扇66位于供应空气管道38内。风扇66可以被配置用于迫使供应空气86通过冷却盘管68和/或加热盘管70。AHU控制器44可以经由通信链路78与风扇66通信以便控制供应空气86的流速。冷却盘管68可以经由管路32从冷却器22接收冷却的流体并且可以经由管路34将冷却的流体回流至冷却器22。可以沿管路32或管路34定位阀92以便控制被提供给冷却盘管68的冷却流体的量。加热盘管70可以经由管路32从锅炉24接收加热的流体并且可以经由管路34将加热的流体回流至锅炉24。可以沿管路32或管路34定位阀94以便控制被提供给加热盘管70的加热流体的量。
阀92至94中的每一个可以由致动器控制。如图2中所示，阀92由致动器88控制，并且阀94由致动器90控制。致动器88至90可以经由通信链路96至98与AHU控制器44通信。致动器88至90可以从AHU控制器44接收控制信号并且可以向控制器44提供反馈信号。在一些实施例中，AHU控制器44从定位在供应空气管道38(例如，冷却盘管68和加热盘管70的下游)中的温度传感器72接收供应空气温度的测量结果。然而，温度传感器72不是必需的，并且在一些实施例中可以不包括在内。
AHU控制器44可以经由致动器88至90来操作阀92至94以调节提供给供应空气86的加热量或冷却量(例如，从而达到供应空气86的设定值温度或者将供应空气86的温度维持在设定值温度范围内)。阀92至94的位置影响由冷却盘管68或加热盘管70提供给供应空气86的加热量或冷却量并且可以与消耗以达到期望供应空气温度的能源量相关。在各实施例中，阀92至94可以由AHU控制器44或HVAC系统20的独立控制器操作。
AHU控制器44可以经由通信链路96至98来监测阀92至94的位置。AHU控制器44可以将阀92至94的位置用作有待使用ESC控制技术优化的变量。AHU控制器44可以确定和/或设定气闸60至64的位置，以实现阀92至94的最优或目标位置。阀92至94的最优或目标位置可以是与HVAC系统20实现设定值供应空气温度所使用的最小机械加热或冷却量(例如，通过阀92至94的最小流体流量)相对应的位置。
仍然参照图2，HVAC系统20被示出为包括监督控制器42和客户端装置46。监督控制器42可以包括充当HVAC系统20的企业级控制器、应用或数据服务器、头节点、主控制器或现场控制器的一个或多个计算机系统(例如，服务器、BAS控制器等)。监督控制器42可以根据相似或不同协议(例如，LON、BACnet等)经由通信链路50与多个下游建筑物系统或子系统(例如，HVAC系统、安全系统等)通信。
在一些实施例中，AHU控制器44从监督控制器42接收信息(例如，命令、设定值、操作边界等)。例如，监督控制器42可以为AHU控制器44提供高风扇速度限制和低风扇速度限制。下限可以避免频繁的分量和电力对风扇启动造成负担，而上限可以避免在风扇系统的机械或热极限附近进行操作。在各实施例中，AHU控制器44和监督控制器42可以是独立的(如图2中所示出的)或集成的。在集成的实施方式中，AHU控制器44可以是被配置用于由监督控制器42的处理器执行的软件模块。
客户端装置46可以包括用于对HVAC系统20、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46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46可以是固定终端或移动装置。例如，客户端装置46可以是台式计算机、具有用户接口的计算机服务器、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。
极值搜索控制系统
现在参照图3，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300的框图。ESC系统300被示出为包括极值搜索控制器302、以及设施304。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304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。在各实施例中，设施304可以包括冷却器操作过程、气闸调整过程、机械冷却过程、通风过程、制冷过程、或其中设施304的输入变量(即，受操纵变量u)被调整以影响来自设施304的输出(即，性能变量y)的任何其他过程。
极值搜索控制器302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302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302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302可以基于作为反馈经由输入接口310从设施304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304的测量结果可以包括但不限于从传感器接收的关于设施304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92至94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304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302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304输出或者在设施304处观察到(例如，经由传感器)并且在输入接口310处提供给极值搜索控制器。
输入接口310将性能变量y提供给性能梯度探测器312以检测性能梯度314。性能梯度314可以指示函数y＝f(u)的斜率，其中，y表示从设施304接收到的性能变量，而u表示提供给设施304的受操纵变量。当性能梯度314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302可以通过使性能梯度314趋向于零来优化性能变量y的值。
受操纵变量更新器316基于性能梯度314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316包括使性能梯度314趋向于零的积分器。受操纵变量更新器316然后经由输出接口318将经更新受操纵变量u提供给设施304。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318被提供给气闸60至64(图2)之一或影响气闸60至64的致动器。设施304可以使用受操纵变量u作为设定值来调整气闸60至64的位置并且由此控制室外空气80与提供给温控空间的再循环空气83的相对比例。
现在参照图4，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400的框图。ESC系统400被示出为包括设施404和极值搜索控制器402。控制器402使用极值搜索控制策略来优化作为来自设施404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404可以与如参照图3所描述的设施304相同或类似于设施304。例如，设施404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404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404可以包括冷却器操作过程、气闸调整过程、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404可以在数学上表示为输入动态422、性能图424、输出动态426、以及干扰d的组合。在一些实施例中，输入动态422是线性时不变(LTI)输入动态并且输出动态426是LTI输出动态。性能图424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4中示出了设施404的部件，但应当注意，为了应用ESC，不需要知道设施404的实际数学模型。
设施404经由输出接口430从极值搜索控制器402接收控制输入u(例如，控制信号、受操纵变量等)。输入动态422可以使用控制输入u来基于控制输入生成功能信号x(例如，x＝f(u))。功能信号x可以传递到性能图424，所述性能图生成作为功能信号的函数的输出信号z(即，z＝f(x))。输出信号z可以通过输出动态426传递以产生信号z′，可以由干扰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404的输出并且在极值搜索控制器402处被接收。极值搜索控制器402可以进行搜索以找到优化性能图424的输出z和/或性能变量y的x和/或u的值。
仍然参照图4，极值搜索控制器402被示出为经由输入接口432来接收性能变量y并且将性能变量y提供给控制器402内的控制环路405。控制环路405被示出为包括高通滤波器406、解调元件408、低通滤波器410、积分器反馈控制器412、以及抖动信号元件414。控制环路405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412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416和抖动信号元件414执行。抖动信号发生器416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414接收来自抖动信号发生器416的抖动信号v以及来自控制器412的设施输入的DC值w。抖动信号元件414结合抖动信号v与设施输入的DC值w，以生成提供至设施404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404并且如前所述的由设施404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406、解调元件408、以及低通滤波器410来执行。高通滤波器406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408。解调元件408通过将经滤波的输出乘以具有施加的相移418的抖动信号v来解调高通滤波器406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408的输出被提供给低通滤波器410，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412，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4，极值搜索控制器402被示出为包括放大器420。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策略是有效的。例如，可能需要基于设施304的固有频率ωn选择抖动信号频率ωv，以增强抖动信号v对性能变量y的影响。在不知道设施404的动态的情况下，正确选择抖动频率ωv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400中，高通滤波器406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408执行的互相关的结果(即，解调元件408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410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 400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400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406、解调元件408、以及低通滤波器410来计算，并且将其作为反馈输入提供给积分器反馈控制器412。积分器反馈控制器412可以调整设施输入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。
具有集中式性能变量聚合器的ESC系统
现在参照图5，根据一些实施例，示出了使用集中式性能变量聚合器来组合来自多个控制系统的性能变量的ESC系统500的框图。ESC系统500被示出为包括两个或更多个独立但相互作用的控制系统510、520和530。控制系统510被示出为具有向屋顶单元控制器514提供供应空气设定值的极值搜索控制器512。控制器514可以从由系统510控制的各种设备接收数据——在这种情况下为压缩机516和风扇518的功耗。控制器514可以将来自设备的性能变量数据——在这种情况下为压缩机516和风扇518的组合功耗(P1)——发送到集中式性能变量聚合器，如电气面板540。
在一些实施例中，ESC系统500将包括与系统510交互的一个或多个附加控制系统。控制系统520被示出为包括极值搜索控制器522、屋顶单元控制器524、压缩机526和风扇528。控制器524可以将来自受系统520控制的设备的性能变量数据——在这种情况下为P2——发送到集中式性能变量聚合器，如电气面板540。除了控制系统520之外，控制系统530被示出为包括极值搜索控制器532、屋顶单元控制器534、压缩机536和风扇538。控制器534可以将来自受系统530控制的设备的性能变量数据——在这种情况下为PN——发送到集中式性能变量聚合器，如电气面板540。ESC系统500可以包括任何数量个附加的独立但相互作用的控制系统。
电气面板540被示出为负责计算总性能变量P总。面板540可以将该总性能变量发送到在系统500内操作的每个极值搜索控制器(例如，ESC1，…，ESCN)。在一些实施例中，总性能变量是在面板540处接收的各个性能变量的总和(即，P总＝P1+P2+…+PN)。每个极值搜索控制器512、522和532都可以接收整个系统的总性能变量，并且可以通过执行极值搜索控制过程(如参照图3至图4所描述的)来进行操作以优化总性能变量P总。
用于找到全局最优解的协作ESC
现在参照图6，根据一些实施例，示出了具有协作极值搜索控制器的ESC系统600的框图。ESC系统600被示出为具有两个或更多个独立但相互作用的控制系统610、620和630。控制系统610被示出为包括向屋顶单元控制器614提供供应空气设定值的极值搜索控制器612。来自受系统610控制的设备——在这种情况下为压缩机616和风扇618——的性能变量数据可以由极值搜索控制器612和屋顶单元控制器614接收。
在一些实施例中，ESC系统600包括与系统610交互的一个或多个附加控制系统。控制系统620被示出为包括极值搜索控制器622、屋顶单元控制器624、压缩机626和风扇628。来自受系统620控制的设备——在这种情况下为压缩机626和风扇628——的性能变量数据可以由极值搜索控制器622和屋顶单元控制器624接收。除了控制系统620之外，控制系统630被示出为包括极值搜索控制器632、屋顶单元控制器634、压缩机636和风扇638。来自受系统630控制的设备——在这种情况下为压缩机636和风扇638——的性能变量数据可以由极值搜索控制器632和屋顶单元控制器634接收。ESC系统600可以包括任何数量个附加的独立但相互作用的控制系统。
极值搜索控制器612至632中的每一个可以被配置用于计算其各自的控制系统的总性能变量。例如，控制器612可以从压缩器616和风扇618接收功耗数据，并且可以将这些信号加在一起以获得系统610的总功耗(即，P1＝P压缩机,1+P风扇,1)。极值搜索控制器612被示出为与极值搜索控制器622和632共享系统610的总功耗P1。以类似的方式，所有附加的极值搜索控制器622和632与控制器612共享来自它们各自的控制系统的性能数据。如参照图5所描述的，这种对等通信允许系统600内的每个极值搜索控制器计算整个系统的总性能变量(例如，P总＝P1+P2+…+PN)，而无需诸如面板540等集中式性能变量聚合器。
极值搜索控制器612至632中的每一个可以被配置成使用总性能变量P总作为到极值搜索控制过程的输入，以便生成并向屋顶单元控制器614至634提供全局最优供应空气温度设定值。例如，极值搜索控制器612至632中的每一个可以被配置用于调节相应的供应空气温度设定值(例如，T供应空气,1，T供应空气,2，…，T供应空气,N)以使总性能变量P总趋向于其最优值(如参照图3至图4所描述的)。
现在参照图7，根据一些实施例，示出了具有协作极值搜索控制器的ESC系统700的框图。ESC系统700被示出为包括设施710和极值搜索控制器720。控制器720可以是图6中所示的极值搜索控制器中的任何一个。控制器720被示出为经由输入接口722接收性能变量y1作为来自设施710的反馈，并经由输出接口724向设施710提供控制输入u1。控制器720还可以从在与设施710交互的设备上操作的控制器——类似于参照图6所描述的控制器622和632——接收一个或多个附加性能变量(即，y2…yN)。控制器720被示出为包括总性能变量计算器758，所述总性能变量计算器可以对整个系统的所有单独性能变量求和以获得总性能变量y总(例如，y总＝y1+y2+…+yN)。控制器720可以以与控制器302和402类似的方式操作，如参照图3至图4所描述的。例如，控制器720可以使用极值搜索控制(ESC)策略来优化性能变量y总。控制器720可以用周期性抖动信号v扰动控制输入u1。控制器720可以调整控制输入u1以使性能变量y总的梯度趋向于零。以这种方式，控制器720标识实现总系统性能变量y总的最优值(例如，最大值或最小值)的控制输入u1的值。
在一些实施例中，由控制器720实施的ESC逻辑基于接收到的控制信号(例如，设定值、操作模式信号等)来生成控制输入u1的值。控制信号可以从用户控制(例如，恒温器、本地用户界面等)、客户端装置(例如，计算机终端、移动用户装置、蜂窝电话、膝上型计算机、平板电脑、台式计算机等等)、监督控制器、或任何其他外部系统或装置接收。在各实施例中，控制器720可以使用有线或无线电子数据通信而直接(例如，使用NFC、蓝牙、Wi-Fi直通互联、电缆等)或经由通信网络(例如，BACnet网络、LonWorks网络、LAN、WAN、因特网、蜂窝网络等)与外部系统和装置通信。
设施710可以类似于设施404，如参照图4所描述的。例如，设施710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710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710可以包括冷却器操作过程、气闸调整过程、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710可以在数学上表示为与动态部件串联的静态非线性特征。例如，设施710被示出为包括与恒定增益块714和传递函数块716串联的静态非线性功能块712。虽然图7中示出了设施710的部件，但应当注意，为了应用ESC，不需要知道设施710的实际数学模型。设施710经由输出接口724从极值搜索控制器720接收控制输入u1(例如，控制信号、受操纵变量等)。非线性功能块712可以使用控制输入u1来基于所述控制输入生成功能信号x(例如，x＝f(u1)。功能信号x可以传递到恒定增益块714，所述恒定增益块将功能信号x乘以恒定增益K以生成输出信号z(即，z＝Kx))。输出信号z可以通过传递函数块716传递以产生信号z′，可以由干扰d来修改所述信号以产生性能变量y1(例如，y1＝z′+d)。干扰d可以包括过程噪声、测量噪声或两者的组合。性能变量y1被提供作为来自设施710的输出并且在极值搜索控制器720处被接收。
仍然参照图7，控制器720被示出为包括通信接口770、输入接口722和输出接口724。接口770和722至724可以包括用于传送信息和/或控制信号的任何数量个插口、导线端子、导线端口、无线天线、或其他通信接口。接口770和722至724可以是相同类型的装置或不同类型的装置。例如，输入接口722可以被配置用于从设施710接收模拟反馈信号(例如，输出变量、测得信号、传感器输出、受控变量)，而通信接口770可以被配置用于从监督控制器接收数字设定值信号。输出接口724可以是被配置用于将数字控制信号(例如，受操纵变量、控制输入)提供给设施710的数字输出端(例如，光学数字接口)。在其他实施例中，输出接口724被配置用于提供模拟输出信号。
在一些实施例中，接口770和722至724可以被接合为一个或两个接口，而不是三个独立的接口。例如，通信接口770和输入接口722可以被组合为被配置用于从监督控制器接收网络通信的以太网接口。在一些实施例中，监督控制器经由以太网网络提供设定值和反馈两者。在此类实施例中，输出接口724可以专用于设施710的受控部件。在其他实施例中，输出接口724可以是用于传送数据或控制信号的另一标准化通信接口。接口770和722至724可以包括被配置用于提供或促进本文所描述的信号的通信的通信电子设备(例如，接收器、发射器、收发器、调制器、解调器、滤波器、通信处理器、通信逻辑模块、缓冲器、解码器、编码器、加密器、放大器等)。
仍然参照图7，控制器720被示出为包括处理电路730，所述处理电路具有处理器732和存储器740。处理器732可以是通用或专用处理器、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处理部件。处理器732被配置用于执行存储在存储器740中或从其他计算机可读介质(例如，CD-ROM、网络存储设备、远程服务器等)接收到的计算机代码或指令。
存储器740可以包括用于存储数据和/或计算机代码以完成和/或促进本披露中所描述的各个过程的一个或多个装置(例如，存储器单元、存储器装置、存储装置等)。存储器740可以包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、硬盘驱动器存储设备、临时存储设备、非易失性存储器、闪存、光学存储器、或用于存储软件对象和/或计算机指令的任何其他合适的存储器。存储器740可以包括数据库部件、目标代码部件、脚本部件、或用于支持本披露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。存储器740可以经由处理电路730可通信地连接至处理器732并且可以包括用于(例如，由处理器732)执行本文中所描述的一个或多个过程的计算机代码。
仍然参照图7，极值搜索控制器720被示出为经由输入接口722来接收性能变量y1并且将性能变量y1提供给总性能变量计算器758。通信接口770被示出为从在与设施710交互的设备上操作的极值搜索控制器772和774接收一个或多个附加性能变量(即，y2…yN)。总性能变量计算器758可以将所有所接收的性能变量进行相加以提供总性能变量y总，从而控制控制器720内的环路750。控制环路750被示出为包括梯度估计器754、反馈控制器752、以及激励信号元件760。梯度估计器754可以被配置用于确定性能变量y总相对于控制输入u1的梯度
Figure GDA0001940181740000151
反馈控制器752可以被配置用于调整控制输入u1的DC值(即，变量w)以使梯度
Figure GDA0001940181740000152
趋向于零。抖动信号发生器756被示出为产生用于扰动激励信号元件760处的控制输入u1的抖动信号。
示例曲线图
现在参照图8至图9，根据一些实施例，示出了演示协作极值搜索控制方法的益处的两个曲线图800和900。具体参照图8，曲线图800示出了两个屋顶单元的由协作极值搜索控制器修改的供应空气设定值的曲线图。线804描绘了由诸如控制器720等极值搜索控制器发送到设施(RTU1)的时变控制输入(供应空气温度设定值)。线802描绘了由在独立但相互作用的屋顶单元(RTU2)上操作的极值搜索控制器提供的另一个时变供应空气温度设定值。产生图800中所描绘的数据的极值搜索控制器是独立操作的，但它们彼此共享性能变量数据。所示的高频振荡是如前所述的用抖动信号扰动控制输入而产生的。较低频率的振荡是由这两个控制器之间的协作产生的。
具体参照图9，曲线图900示出了来自曲线图800的这两个相同的屋顶单元的功耗。线902和904类似于线802和804。在功耗曲线图中仍然可以看到来自使用抖动信号的高频振荡以及来自控制器之间的协作的低频振荡。线906示出了RTU1和RTU2的组合功耗，这证明了本披露的重要益处。极值搜索控制器之间的协作允许整个ESC系统的总功耗迅速达到最小值并保持在那里。
极值搜索控制技术
现在参照图10，根据一些实施例，示出了展示协作极值搜索控制(ESC)技术的流程图1000。流程图1000中所示的ESC技术可以由极值搜索控制器(例如，控制器720)的一个或多个部件执行以监测和控制设施(例如，设施710)。例如，控制器720可以使用ESC技术通过用周期性抖动信号v扰动控制输入u1来确定提供给设施710的控制输入u1的最优值。
流程图1000被示出为包括向设施提供控制输入u1(框1002)并接收第一性能变量y1作为来自设施的反馈(框1004)。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。设施可以是先前描述的设施(例如，设施304、设施404、设施710等)中的任何一个或任何其他可控系统或过程。例如，所述设施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。在各实施例中，所述设施可以包括冷却器操作过程、气闸调整过程、机械冷却过程、通风过程、制冷过程、或其中到设施的控制输入u1经调整影响性能变量y1的任何其他过程。
性能变量y1可以是由设施的一个或多个传感器所观察到的所测量变量(例如，所测量的功耗、所测量的流速等)，基于所测量或观测到的值的所计算变量(例如，所计算的效率、所计算的功耗、所计算的成本等)或指示响应于控制输入u1的设施性能的任何其他类型的变量。控制输入u1可以由设施的极值搜索控制器和/或反馈控制器提供。控制器可以是先前描述的控制器(例如，控制器302、控制器402、控制器720等)中的任何一个或向设施提供控制输入u1的任何其他类型的控制器。在一些实施例中，控制器是被配置用于通过调整控制输入u1来实现性能变量y总的最优值的极值搜索控制器。最优值可以是性能变量y总的极值(例如，最大值或最小值)。
流程图1000还被示出为包括从在独立但相互作用的设施上操作的附加极值搜索控制器接收一个或多个附加性能变量y2…yN(框1006)。在一些实施例中，第一性能变量y1和所述一个或多个附加性能变量y2…yN各自指示相应设施的性能。例如，第一性能变量y1可以指示第一设施的功耗，而所述一个或多个附加性能变量y2…yN可以指示与第一设施交互的一个或多个附加设施的功耗。在一些实施例中，性能变量是可以被聚合以计算组合系统的累积性能的变量。在一些实施例中，第一性能变量y1被提供给附加极值搜索控制器中的每一个。极值搜索控制器可以彼此交换性能变量信息，使得每个极值搜索控制器具有所有性能变量y1…yN。
流程图1000被示出为包括将第一性能变量y1添加到所述一个或多个其他性能变量y2…yN以获得系统的总性能变量y总(框1008)。在一些实施例中，相加是由组合系统中的每个极值搜索控制器执行的。例如，每个极值搜索控制器可以独立地将所有性能变量加在一起以计算总性能变量y总。有利地，在每个极值搜索控制器处执行相加避免了对监督控制器或其他集中式性能变量聚合器的需要。
流程图1000被示出为包括估计总性能变量y总相对于控制输入u1的梯度(框1010)。在一些实施例中，梯度是参照图4所描述的性能梯度p。在其他实施例中，梯度也可以是性能梯度
Figure GDA0001940181740000171
例如，梯度可以是由函数y总＝f(u1)所限定的曲线在沿曲线的特定位置处的的斜率或导数(例如，在特定值u1处)。可以使用控制输入u1和性能变量y总的一对或多对值来估计梯度。
仍然参照图10，流程图1000被示出为包括通过调节反馈控制器的输出而使所估计的梯度趋向于零(框1012)。在一些实施例中，反馈控制器是图7中所示的反馈控制器752。反馈控制器可以接收所估计的梯度作为输入，并且可以调节所述反馈控制器的输出(例如，DC输出w)以使所估计的梯度趋向于零。反馈控制器可以增大或减小DC输出w的值，直到达到DC输出w的最优值。DC输出w的最优值可以被限定为导致性能变量y总的最优值(例如，最大值或最小值)的值。当梯度为零时，性能变量y总的最优值出现。因此，反馈控制器可以通过调节所述反馈控制器的输出w以使梯度趋向于零来实现性能变量y总的最优值。
流程图1000被示出为包括生成抖动信号v(框1014)并通过用抖动信号v扰动反馈控制器的输出w来生成新的控制输入u1(框1016)。抖动信号v可以由抖动信号发生器756生成，如参照图7所描述的。可以将抖动信号v添加到由反馈控制器生成的DC值w以形成新的控制输入u1(例如，u1＝w+v)。在生成新的控制输入u1之后，可以将其提供给设施(框1002)，并且可以重复ESC控制技术。在框1010中，抖动信号v可以提供足以估计性能梯度的控制输入u1的变化。在一些情况下，添加抖动信号v会导致控制输入u1偏离其最优值。然而，反馈控制器可以通过调整DC值w来补偿这种偏离，以使得控制输入u1被连续地朝向其最优值拉回。抖动信号v的量值和频率可以经选择(例如，由用户手动进行或由控制器自动进行)以克服在性能变量y总中存在的任何附加噪声(例如，过程噪声、测量噪声等等)。
示例实施方式
现在参照图11至图13，示出了本披露的极值搜索控制系统和方法的一些示例实施方式。图11至图13中所示的实施方式展示了可由极值搜索控制器720控制的设施710、可由极值搜索控制器720提供给设施710的(多个)控制输入u1、可由极值搜索控制器720接收作为来自设施710的反馈的(多个)性能变量y1、以及可以被接收作为来自在与设施710交互的设备上操作的极值搜索控制器的反馈的一个或多个附加性能变量y2…yN的各实施例。
冷却水设施
现在参照图11，根据一些实施例，示出了冷却水设施1100。冷却水设施1100被示出为包括冷却器1102、冷却塔1104、以及空气处理单元(AHU)1106。冷却流体到AHU 1106的流动可以由诸如PI控制1108等部件可变地控制，所述PI控制可以由从建筑物管理系统(BMS)传感器1112接收数据的一个或多个BMS控制器1111监督。冷却器1102通过冷凝水环路1122与冷却塔1104连接。沿冷凝水环路1122定位的水泵1114使冷凝水在冷却塔1104与冷却器1102之间循环。冷却塔风扇系统1136提供穿过冷却塔1104的气流以促进对冷却塔1104内的冷凝水的冷却。冷却器1002还经由冷却流体环路1124与AHU 1106连接。沿冷却流体环路1124定位的冷却流体泵1116在冷却器1102与AHU 1106之间循环冷却流体。
极值搜索控制器720被示出为用于接收表示由冷却塔风扇系统1136P塔、冷凝水泵1114P泵、以及冷却器1102的压缩机1134P冷却器消耗的总功率的功率输入P1(即，P1＝P塔+P泵+P冷却器)。在图11所示的实施例中，系统功率P1包括P塔、P泵和P冷却器。在求和块1140处，将这些输入在控制器720外部相加。然而，在各种其他实施例中，系统功率P1可以包括功率输入的任何组合。例如，系统功率P1可以包括AHU 1106内的风扇的功耗、冷却流体泵1116的功耗、和/或冷却水设施1100内发生的任何其他功耗。
极值搜索控制器720被示出为提供调节冷却塔风扇系统1136的风扇速度Fansp(风扇速度)的第一控制信号以及调节冷凝水泵1114的泵速度Pumpsp(泵速度)的第二控制信号。在一些实施例中，风扇速度Fansp和泵速度Pumpsp是极值搜索控制器720调整以影响系统功率P1的受操纵变量。例如，极值搜索控制器720可以提高泵速度Pumpsp以经由冷凝器1118和蒸发器1120控制制冷剂环路1126中的加热。类似地，极值搜索控制器720可以提高风扇速度Fansp以增加由冷却塔1104从冷凝水中去除的热量的量，或降低风扇速度Fansp以减少由冷却塔1104从冷凝水中去除的热量的量。
仍然参照图11，极值搜索控制器772被示出为连接到极值搜索控制器720，以便共享性能变量数据。在一些实施例中，极值搜索控制器772被配置用于控制第二组冷却水设施设备(例如，另一个冷却器、另一个泵、另一个冷却塔等)并向所述设备提供(多个)控制输入。极值搜索控制器772可以被配置用于监测第二组冷却水设施设备的功耗P2。极值搜索控制器720可以被配置用于将功耗P1发送到极值搜索控制器772。类似地，极值搜索控制器772可以被配置用于将功耗P2发送到极值搜索控制器720。每个极值搜索控制器720和772可以被配置用于基于功耗值来计算总性能变量。在这种情况下，总性能变量是由极值搜索控制器720和772控制的设备的组合功耗(即，P总＝P1+P2)。应当注意的是，此ESC系统可以包括在独立但相互作用的设备上操作的任何数量个附加极值搜索控制器。
每个极值搜索控制器720和772可以被配置用于通过调整由所述控制器提供的控制输入来独立地优化总功耗P总。例如，极值搜索控制器720可以调节风扇速度Fansp和泵速度Pumpsp以使总功耗P总趋向于最优值。换言之，总功耗P总可以是每个极值搜索控制器720和772进行搜索以优化的变量。
可变制冷剂流动系统
现在参照图12，根据一些实施例，示出了可变制冷剂流动(VRF)系统1200。VRF系统1200被示出为包括室外单元1202、若干热回收单元1204和若干室内单元1206。在一些实施例中，室外单元1202位于建筑物外部(例如，在屋顶上)，而室内单元1206分布在整个建筑物中(例如，在建筑物的各个房间或区域中)。在一些实施例中，VRF系统1200包括若干热回收单元1204。热回收单元1204可以控制制冷剂在室外单元1204与室内单元1206之间的流动(例如，通过打开或关闭阀)并且可以最小化由室外单元1202服务的加热或冷却负载。
室外单元1202被示出为包括压缩机1214和热交换器1220。压缩机1214使制冷剂在热交换器1220与室内单元1206之间循环。当VRF系统1200在冷却模式下操作时，热交换器1220可以用作冷凝器(允许制冷剂将热量排出到外部空气)，或者当VRF系统1200在加热模式下操作时，所述热交换器可以用作蒸发器(允许制冷剂从外部空气吸收热量)。风扇1218提供通过热交换器1220的气流。可以调整风扇1218的速度以调节进入或离开热交换器1220中的制冷剂的热传递速率。
每个室内单元1206被示出为包括热交换器1226和膨胀阀1224。当室内单元1206在加热模式下操作时，热交换器1226中的每一个可以用作冷凝器(允许制冷剂将热量排出到房间或区域内的空气)，或者当室内单元1206在冷却模式下操作时，所述热交换器中的每一个可以用作蒸发器(允许制冷剂从房间或区域内的空气吸收热量)。风扇1222提供通过热交换器1226的气流。可以调整风扇1222的速度以调节进入或离开热交换器1226中的制冷剂的热传递速率。温度传感器1228可以用于测量室内单元1206内的制冷剂的温度。
在图12中，室内单元1206被示出为在冷却模式下操作。在冷却模式下，制冷剂经由冷却管线1212提供给室内单元1206。制冷剂通过膨胀阀1224膨胀至冷的低压状态，并且流过热交换器1226(用作蒸发器)以从建筑物内的房间或区域吸收热量。然后，加热的制冷剂经由回流管线1210流回室外单元1202，并且由压缩机1214压缩至热的高压状态。经压缩的制冷剂流过热交换器1220(用作冷凝器)并且将热量排出到外部空气中。然后，冷却的制冷剂可以经由冷却管线1212提供回室内单元1206。在冷却模式下，流量控制阀1236可以关闭，并且膨胀阀1234可以完全打开。
在加热模式下，制冷剂经由加热管线1208以热状态提供给室内单元1206。热的制冷剂流过热交换器1226(用作冷凝器)并且将热量排出到建筑物的房间或区域内的空气中。然后，制冷剂经由冷却管线1212流回至室外单元(与图12中所示的流动方向相反)。制冷剂可以通过膨胀阀1234膨胀到较冷的较低压状态。膨胀的制冷剂流过热交换器1220(用作蒸发器)并从外部空气吸收热量。加热的制冷剂可以由压缩机1214压缩，并经由加热管线1208以热的经压缩状态提供回至室内单元1206。在加热模式中，流量控制阀1236可以完全打开以允许来自压缩机1214的制冷剂流入加热管线1208。
极值搜索控制器720被示出为接收表示由室外单元1202消耗的功率P室外和室内单元1206中的每一个所消耗的总功率P室内的功率输入P1(即，P1＝P室外+P室内)。室外单元功率P室外可以包括压缩机1214和/或风扇1218的功耗。室内单元功率P室内可以包括风扇1222和/或室内单元1206或热回收单元1204内的任何其他耗电装置(例如，电子阀、泵、风扇等)的功耗。如图12中所示，功率输入P室外和P室内可以在求和块1230处在极值搜索控制器720的外部求和，以提供表示总功率P总的组合信号。在其他实施例中，极值搜索控制器720接收各个功率输入P室外和P室内，并且进行求和块1230的求和。在任一种情况下，极值搜索控制器720都可以被称为用于接收功率输入P室外和P室内，即使功率输入被提供为表示总系统功率的单个求和或组合信号P总也如此。
系统功率P1可以包括VRF系统1200的一个或多个部件的功耗。在图12所示的实施例中，系统功率P1包括P室外和P室内。然而，在各种其他实施例中，系统功率P1可以包括功率输入的任何组合。例如，系统功率P1可以包括热回收单元1204、室内单元1206、室外单元1202、泵的功耗和/或在VRF系统1200内发生的任何其他功耗。
极值搜索控制器720被示出为向室外单元控制器1232提供压力设定值P设定值。在一些实施例中，压力设定值P设定值是极值搜索控制器720调整以影响系统功率P1的受操纵变量。压力设定值P设定值是压缩机1214的吸入或排放处的制冷剂压力Pr的设定值。制冷剂压力Pr可以由位于压缩机1214的吸入口处(例如，压缩机1214的上游)或压缩机1214的排放口处(例如，压缩机1214的下游)的压力传感器1216来测量。室外单元控制器1232被示出为接收制冷剂压力Pr作为反馈信号。
室外单元控制器1232可以操作室外单元1202以实现由极值搜索控制器720提供的压力设定值P设定值。操作室外单元1202可以包括调整压缩机1214的速度和/或风扇1218的速度。例如，室外单元控制器1232可以提高压缩机1214的速度以提高压缩机排放压力或降低压缩机吸入压力。室外单元控制器1232可以提高风扇1218的速度以增加热交换器1220内的热传递或降低风扇1218的速度以减少热交换器1220内的热传递。
极值搜索控制器720实施极值搜索控制策略，所述策略动态地搜寻未知输入(例如，压力设定值P设定值)以获得趋于接近最优的系统性能。尽管室外单元控制器1232和极值搜索控制器720被示出为分开的装置，但是应设想到，在一些实施例中，室外单元控制器1232和极值搜索控制器720可以被组合成单个装置(例如，执行极值搜索控制器502和室外单元控制器1232两者的功能的单一控制器)。例如，极值搜索控制器720可以被配置用于直接操作压缩机1214和/或风扇1218，而不需要中间室外单元控制器1232。
仍然参照图12，极值搜索控制器772被示出为连接到极值搜索控制器720，以便共享性能变量数据。在一些实施例中，极值搜索控制器772被配置用于控制第二组制冷剂流动设备(例如，附加回收单元、室内单元、室外单元等)并向所述设备提供(多个)控制输入。极值搜索控制器772可以被配置用于监测第二组制冷剂流动设备的功耗P2。极值搜索控制器720可以被配置用于将功耗P1发送到极值搜索控制器772。类似地，极值搜索控制器772可以被配置用于将功耗P2发送到极值搜索控制器720。每个极值搜索控制器720和772可以被配置用于基于功耗值来计算总性能变量。在这种情况下，总性能变量是由极值搜索控制器720和772控制的设备的组合功耗(即，P总＝P1+P2)。应当注意的是，此ESC系统可以包括在独立但相互作用的设备上操作的任何数量个附加极值搜索控制器。
每个极值搜索控制器720和772可以被配置用于通过调整由所述控制器提供的控制输入来独立地优化总功耗P总。例如，极值搜索控制器720可以调节压力设定值P设定值以使总功耗P总趋向于最优值。换言之，总功耗P总可以是每个极值搜索控制器720和772进行搜索以优化的变量。
蒸气压缩系统
现在参照图13，根据一些实施例，示出了蒸气压缩空调系统1300。系统1300被示出为包括制冷剂回路1310。制冷剂回路1310包括冷凝器1312、蒸发器1314、膨胀阀1324和压缩机1306。压缩机1306被配置用于使制冷剂在蒸发器1314与冷凝器1312之间循环。制冷剂回路1310使用蒸气压缩循环进行操作。例如，压缩机1306将制冷剂压缩到热的高压状态。经压缩的制冷剂流过冷凝器1312，在所述冷凝器处，制冷剂排出热量。冷凝器风扇1322可以用于调节冷凝器1312内的热传递速率。冷却的制冷剂通过膨胀阀1324膨胀至低压低温状态。膨胀的制冷剂流过蒸发器1314，在所述蒸发器处，制冷剂吸收热量。蒸发器风扇1316可以用于调节蒸发器1314内的热传递速率。
在一些实施例中，制冷剂回路1310位于屋顶单元1302(例如，屋顶空气处理单元)内，如图13中所示的。屋顶单元1302可以被配置用于为流过空气管道1322的供应空气1320提供冷却。例如，蒸发器1314可以位于空气管道1322内，使得供应空气1320流过蒸发器1314并通过将热量传递到蒸发器1314内的膨胀制冷剂而被冷却。然后，冷却的气流可以被路由到建筑物，以为建筑物的房间或区域提供冷却。供应空气1320的温度可以由位于蒸发器1314(例如，在管道1322内)下游的温度传感器1318测量。在其他实施例中，制冷剂回路1310可以在使用蒸气压缩循环(例如，冷却器、热泵、热回收冷却器、制冷装置等)传递热量的各种其他系统或装置中的任何一种中使用。
极值搜索控制器720被示出为接收表示压缩机1306P压缩机、蒸发器风扇1316P风扇,蒸发器和冷凝器风扇1322P风扇,冷凝器消耗的总功率的功率输入P1(即，P1＝P压缩机+P风扇,蒸发器+P风扇,冷凝器)。如图13中所示，功率输入P压缩机、P风扇,蒸发器和P风扇,冷凝器可以在求和块1308处在极值搜索控制器720的外部求和，以提供表示系统功率P1的组合信号。在其他实施例中，极值搜索控制器720接收各个功率输入P压缩机、P风扇,蒸发器和P风扇,冷凝器，并且进行求和块1308的求和。在任一种情况下，极值搜索控制器720都可以被称为用于接收功率输入P压缩机、P风扇,蒸发器和P风扇,冷凝器，即使功率输入被提供为表示系统功率的单个求和或组合信号P1也如此。
系统功率P1可以包括蒸气压缩系统1300的一个或多个部件的功耗。在图13所示的实施例中，系统功率P1包括P压缩机、P风扇,蒸发器和P风扇,冷凝器。然而，在各种其他实施例中，系统功率P1可以包括功率输入的任何组合。例如，系统功率P1可以包括屋顶单元1302内的各种其他风扇的功耗、流体泵的功耗、和/或蒸气压缩系统1300内发生的任何其他功耗。
极值搜索控制器720被示出为向反馈控制器1304提供温度设定值T设定值。在一些实施例中，温度设定值T设定值是极值搜索控制器720调整以影响系统功率P1的受操纵变量。温度设定值T设定值是离开蒸发器1314的供应空气1320的温度的设定值。供应空气温度T供应空气可以由位于蒸发器1314下游的温度传感器1318测量。反馈控制器1304被示出为接收供应空气温度T供应空气作为反馈信号。
反馈控制器1304可以操作蒸发器风扇1316、冷凝器风扇1322和/或压缩机1306以实现由极值搜索控制器720提供的温度设定值T设定值。例如，反馈控制器1304可以提高蒸发器风扇1316的速度以增加从蒸发器1314中的供应空气1320去除的热量的量，或者降低蒸发器风扇1316的速度以减少从蒸发器1314中的供应空气1320去除的热量的量。类似地，反馈控制器1304可以提高冷凝器风扇1322的速度以增加从冷凝器1312中的制冷剂去除的热量的量，或者降低冷凝器风扇1322的速度以减少从冷凝器1312中的制冷剂去除的热量的量。
极值搜索控制器720实施极值搜索控制策略，所述策略动态搜寻未知输入(例如，最优空气温度设定值T设定值)以获得趋于接近最优的系统性能。尽管反馈控制器1304和极值搜索控制器720被示出为分开的装置，但是应设想到，在一些实施例中，反馈控制器1304和极值搜索控制器720可以被组合成单个装置(例如，执行极值搜索控制器720和反馈控制器1304两者的功能的单一控制器)。例如，极值搜索控制器720可以被配置用于直接控制蒸发器风扇1316、冷凝器风扇1322和/或压缩机1306，而不需要中间反馈控制器1304。
仍然参照图13，极值搜索控制器772被示出为连接到极值搜索控制器720，以便共享性能变量数据。在一些实施例中，极值搜索控制器772被配置用于控制第二组蒸气压缩设备(例如，另一个屋顶单元)并向所述设备提供(多个)控制输入。极值搜索控制器772可以被配置用于监测第二屋顶单元的功耗P2。极值搜索控制器720可以被配置用于将功耗P1发送到极值搜索控制器772。类似地，极值搜索控制器772可以被配置用于将功耗P2发送到极值搜索控制器720。每个极值搜索控制器720和772可以被配置用于基于功耗值来计算总性能变量。在这种情况下，总性能变量是由极值搜索控制器720和772控制的设备的组合功耗(即，P总＝P1+P2)。应当注意的是，此ESC系统可以包括在独立但相互作用的设备上操作的任何数量个附加极值搜索控制器。
每个极值搜索控制器720和772可以被配置用于通过调整由所述控制器提供的控制输入来独立地优化总功耗P总。例如，极值搜索控制器720可以调节温度设定值T设定值以使总功耗P总趋向于最优值。换言之，总功耗P总可以是每个极值搜索控制器720和772进行搜索以优化的变量。
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、维度、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或其他光盘存储装置、磁盘存储装置或其他磁存储装置等，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。所有此类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施各连接步骤、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施软件实施方式。

Claims (27)

1.一种协作极值搜索控制系统，包括：
第一极值搜索控制器，其被配置用于向第一设施提供第一控制输入并接收第一性能变量作为来自所述第一设施的反馈；以及
第二极值搜索控制器，其被配置用于向与所述第一设施交互的第二设施提供第二控制输入、接收第二性能变量作为来自所述第二设施的反馈、并将所述第二性能变量提供给所述第一极值搜索控制器；
其中，所述第一极值搜索控制器进一步被配置用于聚合所述第一性能变量和所述第二性能变量以确定总性能变量、计算所述总性能变量相对于所述第一控制输入的梯度、使用所述总性能变量的所述梯度生成第三控制输入、并将所述第三控制输入提供给所述第一设施，其中，所述第一设施使用所述第三控制输入来操作所述第一设施的设备，从而影响所述第一设施的可变状态或状况。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述总性能变量指示所述第一设施和所述第二设施的总功耗。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述第三控制输入是温度设定值、压力设定值、速度设定值或阀位置。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述第一性能变量指示功耗、温度、压力、流量、湿度、空气品质或阀位置。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所述第一极值搜索控制器被配置用于使所述总性能变量相对于所述第一控制输入的所述梯度趋向于零，以便生成所述第三控制输入。
6.如权利要求1所述的系统，其中，所述第一设施是空气处理单元(AHU)、冷却水设施、可变制冷剂流动(VRF)系统或蒸气压缩系统。
7.如权利要求1所述的系统，其中，所述第一极值搜索控制器被配置用于过滤来自所述第一性能变量的干扰。
8.一种协作极值搜索控制方法，包括：
通过第一极值搜索控制器向第一控制系统提供第一控制输入；
通过所述第一极值搜索控制器接收第一性能变量作为来自所述第一控制系统的反馈；
通过第二极值搜索控制器从与所述第一控制系统交互的第二控制系统接收第二性能变量作为来自所述第二控制系统的反馈；
通过所述第二极值搜索控制器将所述第二性能变量提供到所述第一极值搜索控制器；
通过所述第一极值搜索控制器聚合所述第一性能变量和所述第二性能变量以确定总性能变量；
通过所述第一极值搜索控制器计算所述总性能变量相对于所述第一控制输入的梯度；
通过所述第一极值搜索控制器使用所述总性能变量的所述梯度生成第二控制输入；
向所述第一控制系统提供所述第二控制输入；以及
使用所述第二控制输入来操作所述第一控制系统的设备，从而影响所述第一控制系统的可变状态或状况。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述总性能变量指示所述第一控制系统和所述第二控制系统的总功耗。
10.如权利要求8所述的方法，其中，所述第二控制输入是温度设定值、压力设定值、速度设定值或阀位置。
11.如权利要求8所述的方法，其中，所述第一性能变量指示功耗、温度、压力、流量、湿度、空气品质或阀位置。
12.如权利要求8所述的方法，其中，使用所述总性能变量的所述梯度生成所述第二控制输入包括使所述总性能变量相对于所述第一控制输入的所述梯度趋向于零。
13.如权利要求8所述的方法，其中，所述第一控制系统是空气处理单元(AHU)、冷却水设施、可变制冷剂流动(VRF)系统或蒸气压缩系统。
14.如权利要求8所述的方法，进一步包括过滤来自所述第一性能变量的干扰。
15.一种极值搜索控制器，其被配置用于：
向第一控制系统提供第一控制输入；
接收第一性能变量作为来自所述第一控制系统的反馈；
从第二极值搜索控制器接收第二性能变量，所述第二性能变量来自与所述第一控制系统交互的第二控制系统；
聚合所述第一性能变量和所述第二性能变量以确定总性能变量；
计算所述总性能变量相对于所述第一控制输入的梯度；
使用所述总性能变量的所述梯度生成第二控制输入；并且
向所述第一控制系统提供所述第二控制输入，其中，所述第一控制系统使用所述第二控制输入来操作所述第一控制系统的设备，从而影响所述第一控制系统的可变状态或状况。
16.如权利要求15所述的控制器，其中，所述总性能变量指示所述第一控制系统和所述第二控制系统的总功耗。
17.如权利要求15所述的控制器，其中，所述第二控制输入是温度设定值、压力设定值、速度设定值或阀位置。
18.如权利要求15所述的控制器，其中，所述第一性能变量指示功耗、温度、压力、流量、湿度、空气品质或阀位置。
19.如权利要求15所述的控制器，进一步被配置用于使所述总性能变量相对于所述第一控制输入的所述梯度趋向于零，以便生成所述第二控制输入。
20.如权利要求15所述的控制器，其中，所述第一控制系统是空气处理单元(AHU)、冷却水设施、可变制冷剂流动(VRF)系统或蒸气压缩系统。
21.一种协作极值搜索控制方法，所述协作极值搜索控制方法包括：
通过第一极值搜索控制器向第一设施提供第一控制输入；
通过所述第一极值搜索控制器接收第一性能变量作为来自所述第一设施的反馈；
通过第二极值搜索控制器向与所述第一设施交互的第二设施提供第二控制输入；
通过所述第二极值搜索控制器接收第二性能变量作为来自所述第二设施的反馈；
通过所述第二极值搜索控制器向所述第一极值搜索控制器提供所述第二性能变量；
通过所述第一极值搜索控制器聚合所述第一性能变量和所述第二性能变量以确定总性能变量；
通过所述第一极值搜索控制器计算所述总性能变量相对于所述第一控制输入的梯度；
通过所述第一极值搜索控制器使用所述总性能变量的所述梯度生成第三控制输入；
向所述第一设施提供所述第三控制输入；并且
使用所述第三控制输入来操作所述第一设施的设备，从而影响所述第一设施的可变状态或状况。
22.如权利要求21所述的方法，其中，所述总性能变量指示所述第一设施和所述第二设施的总功耗。
23.如权利要求21所述的方法，其中，所述第三控制输入是温度设定值、压力设定值、速度设定值或阀位置。
24.如权利要求21所述的方法，其中，所述第一性能变量指示功耗、温度、压力、流量、湿度、空气品质或阀位置。
25.如权利要求21所述的方法，其中，使用所述总性能变量的所述梯度生成所述第三控制输入包括使所述总性能变量相对于所述第一控制输入的所述梯度趋向于零。
26.如权利要求21所述的方法，其中，所述第一设施是空气处理单元(AHU)、冷却水设施、可变制冷剂流动(VRF)系统或蒸气压缩系统。
27.如权利要求21所述的方法，进一步包括过滤来自所述第一性能变量的干扰。
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