CN111856986B - 用于控制流体分配系统的控制系统和方法 - Google Patents

用于控制流体分配系统的控制系统和方法 Download PDF

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Abstract

本公开提出一种用于控制流体分配系统的控制系统。流体分配系统包括彼此平行布置的至少两个用户分支，其中每个用户分支包括：至少一个用户元件，用于消费流体和/或热能；至少一个用户分支调节设备，配置为接收控制值以调节经过相关用户分支的流体和/或热能；以及至少一个传感器，用于提供相关用户分支的测量值。控制系统包括：配置为提供每个运行的用户分支的饱和值的饱和计算模块，其中饱和值表明相关用户分支的饱和度；和配置为接收饱和值并改变参考值的饱和补偿模块，其中改变的参考值基于初始参考值和来自所有用户分支的饱和值，使得每个运行的用户分支的至少一个用户分支调节设备基于所述改动的参考值和相关用户分支的测量值是可控的。

Description

用于控制流体分配系统的控制系统和方法
技术领域
本公开涉及一种用于控制流体分配系统的控制系统和方法，尤其是用于建筑物的加热、冷却、通风和/或空调(HVAC)系统。
背景技术
例如，流体分配系统可为用于传递热能的循环加热系统(hydronic system)和/或用于将水从源传输到用户(consumer，消费者)的供水系统。典型地，这样的流体分配系统包括至少两个彼此平行布置的用户分支(consumer branch，消费者分支)，其中每个用户分支包括用于消费(consume，消耗)流体和/或热能的至少一个用户元件(consumer element，消费者元件)。用户分支可被供给分支供给，其中供给分支包括用于提供流体和/或热能的总流量(total flow，总流)的源元件。
以没有用户分支是“缺料的(starving，饥饿的)”方式分配平行用户分支中的流体和/或热能的总流量是一种挑战。例如，在寒冷的夜晚之后的早晨启动加热系统期间，在一定时间段内，热能的总需求可能超过热能的总可用流量。可能的是，某些用户分支会被供给最大流量的热能，而其他用户分支会获得最小流量或零流量的热能(尽管它们的需求量大)。
WO 2016/087057 A1描述了一种用于平衡加热系统的系统，其中在试运转(testrun，测试运行)中建立加热系统的液压模型(一次只有一个打开的液压管路)。基于液压模型，调整液压管线的平衡阀，以满足每个液压管线的期望的流速(flow rate，流量)。因此，只要液压模型匹配真实的加热系统，首先(in the first place，起初)要防止发生液压管线的缺料(starvation)。
WO 2016/087057 A1中所描述的系统的缺点在于，该系统不自动地识别液压模型是否仍匹配真实的加热系统。液压模型必须定期和/或根据用户(user)指令而重新建立，以使其保持随着真实系统而更新。
发明内容
根据本公开的控制系统提供一种自动解决方案，不用建立需要定期更新的液压模型。
根据本公开的第一方面，提供一种用于控制流体分配系统的控制系统，其中流体分配系统包括至少两个彼此平行布置的用户分支，其中至少两个用户分支中的每个包括：至少一个用户元件，用于消费流体和/或热能；至少一个用户分支调节装置，配置为接收用于调节流体和/或热能通过相关(associated)用户分支的流量；以及至少一个传感器，用于提供相关用户分支的测量值。控制系统包括：
·饱和计算模块，配置为提供每个运行的(operational，操作的)用户分支的饱和值，其中，饱和值表明相关用户分支的饱和度；以及
·饱和补偿模块，配置为接收饱和值并且改变(alter)参考值，其中，改变的参考值基于初始参考值和来自所有用户分支的饱和值，使得每个运行的用户分支的至少一个用户分支调节装置基于改变的参考值和相关用户分支的测量值(优选地两者之间的比较)是可控的。
在此使用的术语“饱和(saturation)”或“使饱和(saturate)”应指如下情况，调节装置的控制范围达到极限，使得测量值不再接近于目标值。当使用比例、积分和/或导数控制器(P、I、D、PI或PID控制器)时，这种现象也已知为积分器饱和(integrator windup)。控制器重复地计算表明测量值与目标值之间的偏差的误差值，但是当达到“饱和”时，误差值不能再减小。例如，加热系统分支不能使温度再向目标温度增加，即使是在该分支中的阀完全打开和/或该分支中的泵以全功率运行时也不能。因此，用户分支的“饱和”等同于该用户分支的“缺料”，因为饱和的用户分支不会获得“要求的(requested，所需的)”流体和/或热能的流量。
这意味着，在此描述的系统提供某种分配式反馈控制机制，该机制自动地检测已经发生的或即将发生的用户分支的饱和，然后自动地平衡所有开放的(open，打开的)用户分支中的流量，以补偿饱和或缺料。这种自动平衡能够通过消耗(at a cost of，花费)总和略低的通过所有开放的用户分支的流体流和/或热能而实现，但又确保了开放的用户分支均保持不缺料。
可选地，用户分支调节装置中的至少一个可为泵或调节阀。可选地，传感器中的至少一个可为温度传感器、压力传感器和/或流量传感器。可选地，至少一个用户分支调节装置被配置为根据控制值以闭环方式控制。术语“闭环”应在此意味着，控制值对流量的作用以及由此测量值与改变的参考值的偏差被用作待被最小化的反馈值。流量调节装置的控制器，即泵和/或阀，可由此被表示为反馈控制器。闭环控制不是事件触发的，而是基本上(essentially)连续或有规律的，这意味着在流量分配系统的“稳定”运行期间，控制器也基本上连续或有规律地接收和/或确定测量值与(改变的)参考值的偏差，并且相应地，基本上连续或有规律地适配流量。当偏差接近于零或处于不表明“缺料”的最小(值)时，流量可以稳定。在一定时间段的相对高的偏差表明“缺料”。
在一个用户分支缺料的情况下，饱和计算模块可以，基于在该用户分支中一定时间段内所接收的温度传感器测量值与参考温度的相对高的偏差，计算表明相关用户分支的高饱和度的饱和值。(如果)已经接收所述饱和值，则饱和补偿模块可以改变参考温度，其中，改变的参考温度基于初始参考温度和所有计算出的饱和值。然后，每个用户分支的控制值可以相应地基于改变的参考温度和相关用户分支的所测量的温度(优选地，两者之间的比较)而改变。有效地，例如在冷却系统的情况下，通过减少经过一个或多个非缺料的分支的热能流(thermal energy flow，热能流量)，可以使参考温度稍微增加并且可以使热能的总流量稍微下降。缺料的分支接着获得较高份额(share，分享、共享)的热能流，以便缓和(mitigate，减轻)该分支的缺料情况。应注意的是，这可能暂时地引起这些分支中的另一分支、多于一个的其他分支或所有分支的缺料情况。在流量分配系统的“稳定”运行期间(没有缺料的分支)，可以重新建立初始参考温度。
可选地，每个饱和值可以基于阈值与控制值之间的偏差的累加(accumulation，累积)。例如，阈值可为调节阀的开度(opening-degree)的90％，或泵的最大泵功率或泵速的80％。替代地，阈值可为最小坡量|Δy/Δu|min或|ΔQ/Δu|min或|ΔQ/Δy|min，即，对于控制值Δu的特定(certain，一定的)变化的测量值Δy或热能流ΔQ的最小期望变化。饱和值可以是控制值随时间(推移)的偏差的累加。优选地将控制值与阈值的正负偏差相加，从而实现饱和值的平滑走势(behaviour，行为)以用于调节装置的平滑闭环控制。实质上，如果阀在一定时间段内打开太大(too open)，或者泵在一定时间段以太高的功率或速度运行，则表明缺料或饱和。单独的(individual)增益因子可应用于每个用户分支以进行累加，以便确定饱和的用户分支应从可与缺料的用户分支共享一些流量的其他用户分支中受益多少。单独的一个或多个增益因子可导致用户分支之间不同的固有缺料概率。固有地(intrinsically)更易于缺料(例如，由于更远离供给分支)的用户分支可以归因于比固有地更不易于缺料的用户分支(例如，由于更靠近供给分支)更高的增益因子。
可选地，所有饱和值的加权总和可以代表相对量或绝对量，其中，改变的参考值与初始参考值相差所述相对量或绝对量。例如，根据代表相对量Tref/T0或绝对量|Tref-T0|的所有饱和值的加权总和，初始参考值T0可以被减小到改变的参考值Tref。换言之，所有饱和值的加权总和可以代表待从非缺料的分支被重新分配到缺料的分支的流量份额。
可选地，饱和计算模块可以被配置为，基于测量值和/或控制值来提供每个运行的用户分支的饱和值。替代地或附加地，阀位置可以被测量并用作用于确定饱和值的输入变量。替代地或附加地，泵速、泵功率和/或泵压力可以被测量或估计并用作输入变量，以作为确定饱和值的基础。
可选地，饱和计算模块可以被配置为，确定在提供饱和值之前用户分支中的至少一个是否为运行的。例如，用户分支中的一个或多个可以完全闭合或停止，因此不需要参与流量共享过程。只有在至少一个其他用户分支运行(对于该用户分支，提供饱和值是有益的)时，计算用户分支的饱和值才是有益的。相应地，可以计算并提供该其他用户分支的饱和值。
可选地，饱和计算模块可以在每个用户分支处的用户分支控制单元中实现，其中，每个用户分支控制单元被配置为与所有其他用户分支控制单元通信(communicate，连通)。在这样的实施例中，反馈控制机制是大量本地用户分支控制单元的分布式网络，所述大量本地用户分支控制单元可以包括基本上相同的硬件。本地用户分支控制单元可以集成到用户分支中的泵组件的泵控制电子装置(electronic)中，和/或用户分支中的调节阀单元的阀控制电子装置中。
可选地，饱和补偿模块可以在每个用户分支处的本地用户分支控制单元中实现，其中，每个用户分支控制单元被配置为，基于相关用户分支的改变的参考值和测量值(优选地，这两者之间的比较)，控制运行的相关用户分支的至少一个用户分支调节装置。本地用户分支控制单元可以集成到用户分支中的泵组件的泵控制电子装置中，和/或用户分支中的调节阀单元的阀控制电子装置中。优选地，饱和计算模块和用户分支控制单元可以集成到泵组件的电子装置壳体内的泵控制电子装置中。在调节阀的情况下，饱和计算模块和饱和补偿模块两者可以集成到阀的电子装置壳体内的控制电子装置中。替代地或附加地，饱和计算模块和/或饱和补偿模块可以被实现到用户分支处的至少一个传感器的传感器壳体内的传感器电子装置中。
根据某些实施例，流体分配系统可以包括供给分支，该供给分支包括：至少一个源元件，用于提供流体和/或热能的总流量；以及至少一个供给分支调节装置，用于调节通过供给分支的流体和/或热能的总流量，其中，供给分支被布置成向用户分支供给流体和/或热能。对于这样的实施例，可选的是，饱和补偿模块可以在供给分支处的供给分支控制单元中实现，其中，供给分支控制单元被配置为，从每个运行的用户分支处的用户分支控制单元接收饱和值，使得至少一个供给分支调节装置基于改变的参考值和由供给分支中的传感器测量的值(优选地，这两者之间的比较)是可控的。
根据本公开的第二方面，提供一种流体分配系统，该流体分配系统包括：
-彼此平行布置的至少两个用户分支，其中，至少两个用户分支中的每个包括：至少一个用户元件，用于消费流体和/或热能；至少一个用户分支调节装置，配置为接收用于调节通过相关用户分支的流体和/或热能的流量的控制值；以及至少一个传感器，用于提供相关用户分支的测量值，以及
-如上所述的控制系统。
根据本公开的第三方面，提供一种用于控制流体分配系统的方法，该方法包括步骤：
-通过彼此平行布置的至少两个用户分支的每个中的至少一个用户元件来消费流体和/或热能，
-基于相关用户分支的控制值，通过每个用户分支中的至少一个用户分支调节装置来调节通过每个用户分支的流体和/或热能的流量，
-通过每个用户分支中的至少一个传感器来提供每个用户分支的测量值，
-确定每个用户分支的饱和值，其中，饱和值表明相关用户分支的饱和度，
-改变参考值，其中，改变的参考值基于初始参考值和来自所有用户分支的饱和值，以及
-基于改变的参考值和相关用户分支的测量值(优选地，两者之间的比较)来控制每个用户分支的至少一个用户分支调节装置。
可选地，用户分支调节装置中的至少一个可以为泵或阀。
可选地，提供每个用户分支的测量值的步骤可以包括：提供绝对温度值或温差值(differential temperature value)、绝对压力值或压差值、和/或绝对流量值或流量差值。
可选地，确定每个用户分支的饱和值可以基于测量值和/或控制值。替代地或附加地，阀位置可以被测量并用作用于确定饱和值的输入变量。替代地或附加地，泵速、泵功率和/或泵压力可以被测量或估计，并用作输入变量，以作为确定饱和值的基础。
可选地，调节通过每个用户分支的流体和/或热能的流量的步骤可以包括：根据控制值而以闭环方式控制相关的用户分支调节装置。
可选地，确定饱和值的步骤可以基于阈值与控制值之间的偏差的累加。
可选地，所有饱和值的加权总和可以代表百分比或绝对量，其中，通过所述百分比或绝对量而使改变的参考值不同于初始参考值。
可选地，该方法还包括以下步骤：确定在提供饱和值之前用户分支中的至少一个是否为运行的。
可选地，饱和计算模块可以在每个用户分支处的用户分支控制单元中实现，其中，该方法还包括以下步骤：通过每个用户分支控制单元与所有其他用户分支控制单元通信。
可选地，饱和补偿模块可以在每个用户分支处的用户分支控制单元中实现，其中，该方法还包括以下步骤：基于相关用户分支的改变的参考值和测量值(优选地，两者之间的比较)来控制运行的相关用户分支的至少一个用户分支调节装置。
可选地，该方法还包括以下步骤：
-通过供给分支中的至少一个源元件提供流体和/或热能，其中，供给分支被布置为向每个用户分支供给流体和/或热能，
-通过至少一个供给分支调节装置来调节经过供给分支的流体和/或热能的流量，
-通过供给分支处的供给分支控制单元，从每个运行的用户分支处的用户分支控制单元接收饱和值，以及
-基于改变的参考值和由供给分支中的传感器测量的值(优选地，两者之间的比较)来控制至少一个供给分支调节装置。
在此公开的方法能够以编译或未编译的软件代码的形式实现，所述软件代码存储在带有用于执行该方法的指令的计算机可读介质上。替代地或附加地，该方法可以通过基于云的系统和/或建筑物管理系统(BMS)中(例如，在此公开的控制系统中)的软件来执行。
在此公开的控制系统和方法可被实现和集成在本地分散(decentral)用户分支控制单元中，该本地分散用户分支控制单元位于用户分支的调节装置处、之中或附近的调节装置，并且通过网络彼此通信。替代地或附加地，在此所描述的控制系统和方法可以被实现和集成在至少一个中央控制器中，从而经由网络(例如，作为建筑物管理系统(BMS)的一部分)控制用户分支中的调节装置。还可能的是，至少部分地在远程云计算环境中实现在此所描述的控制系统和方法。例如，至少可以在远程云计算环境中执行饱和值的确定和广播(broadcasting)。在地理上广泛分布的流体分配系统的情况下(诸如，市政供水系统或区域加热或冷却系统)，云计算环境可以是特别有益的。
附图说明
现在将借助示例参照下面的附图描述本公开的实施例，其中：
图1示出具有四个不同的阀控制型平行用户分支的加热系统的示意图，作为本公开可适用的流体分配系统的示例，
图2示出具有三个不同的泵控制型平行用户分支的加热系统的示意图，作为本公开可适用的流体分配系统的示例，
图3示出具有两个不同的阀控制型平行压力区的供水网络的示意图，作为本公开可适用的流体分配系统的示例，
图4a至图4d示出根据本公开的具有确定饱和值的不同示例的四个示意图，
图5a至图5c示出根据本公开的具有提供改变的参考值的不同示例的三个示意图，
图6示出根据本公开的确定至少一个用户分支是否运行的示例的示意图，
图7示出根据本公开的控制系统的示例的示意图，
图8示出根据本公开的控制系统的另一示例的示意图，
图9a至图9h示出根据本公开的闭环控制型用户元件的不同示例的八个示意图，
图10示出根据本公开的具有控制系统的流体分配系统的示例的示意图，
图11示出根据本公开的具有控制系统的流体分配系统的另一示例的示意图，
图12示出根据本公开的在泵压力控制器中实施的饱和补偿模块的示例的示意图，
图13示出根据本公开的在压差控制器中实施的饱和补偿模块的示例的示意图，
图14示出根据本公开的HVAC系统作为具有控制系统的流体分配系统的示例的示意图，
图15示出根据本公开的另一HVAC系统作为具有控制系统的流体分配系统的示例的示意图，
图16示出根据本公开的在空调控制器中实施的饱和补偿模块和饱和计算模块的示例的示意图，
图17示出根据本公开的无旁路的(without bypass)制冷系统(chiller system)作为具有控制系统的流体分配系统的示例的示意图，
图18示出根据本公开的在制冷控制器中实施的饱和计算模块的示例的示意图，
图19示出根据本公开的在制冷控制器中实施的饱和计算模块的另一示例的示意图，
图20示出根据本公开的具有旁路的冷却系统作为具有控制系统的流体分配系统的示例的示意图，
图21示出根据本公开的在制冷控制器中实施的饱和计算模块的另一示例的示意图，
图22示出根据本公开的供水系统作为具有控制系统的流体分配系统的示例的示意图。
附图标记说明：
1 流体分配系统
2 供给分支
3 源元件
5 供给分支调节装置
7 用户分支
9 用户分支调节装置
11 传感器
12 旁路
13 止回阀
15 用户分支的回流管
17 用户分支的供给管
19 热交换器
21 饱和计算模块
23 饱和补偿模块
25 饱和块
29 PI控制器
31 用户元件
33 供给管泵
35 风扇
37 用户分支控制单元
38 网络
43 供给分支控制单元
45 供给分支调节装置
47 供给泵压传感器
51 供给分支温度传感器
53 制冷器
55 供给分支流量计
57 供给分支压差传感器
59 温度传感器
60 供给旁路
si 正饱和值
vi 负饱和值
r 参考值
r* 改变的参考值
u 控制值
y 测量值
umin,max 阈值
emin,max 阈值
S 正饱和值si的加权总和
V 负饱和值vi的加权总和
601 启动控制系统
603 计算饱和信号
605 检查用户分支是否运行
607 设定饱和值为零
具体实施方式
图1示出呈加热系统形式的流体分配系统1，其包括具有呈热源(如热水锅炉)形式的源元件3的供给分支2。供给分支2还包括呈泵形式的供给分支调节装置5，用于泵送热水通过供给分支2。四个不同的用户分支7彼此平行地连接到供给分支2，使得通过供给分支2的热水流(flow，流量)在四个用户分支7之间分离(split，分开)。每个用户分支7包括至少一个呈阀和/或泵形式的用户分支调节装置9。在图1中从左到右，第一用户分支7、第二用户分支7和第四用户分支7具有：阀，作为用于调节进入各个用户分支的热水流的用户分支调节装置9；以及泵33，用于循环各个用户分支中的流体。第三用户分支7包括作为用户分支调节装置9的阀，但是没有循环泵。此外，每个用户分支7包括至少一个传感器11，所述至少一个传感器用于提供相关用户分支7的测量值。在图1中从左到右，第一用户分支7、第二用户分支7和第四用户分支7具有温度传感器11，而第三用户分支7具有压差传感器11。最后，每个用户分支7包括对于(per)每个用户分支的用于消费热功率的至少一个用户元件(图1未示出)，例如散热器(radiator)。第一用户分支7包括具有止回阀(check valve，单向阀)13的旁路12，所述止回阀用于防止热水直接流到第一用户分支7的回流管15。止回阀13防止水从供给管(feed line)17不期望地回流到第一用户分支7的回流管15中。第二用户分支7具有三通阀9作为用户分支调节装置，而不需要额外的止回阀。没有旁路的第三用户分支7由阀9完全控制，其中，第三用户分支7的回流管15与第三用户分支7的供给管17之间的压差dp由压差传感器11测量。第四用户分支7包括热交换器19，而不是用于将热能传递到第四用户分支7中的旁路。
重要的是应该注意，每个用户分支调节装置9被闭环控制，其中，由相关传感器11所测量的值用作为闭环控制的反馈值。例如，第一、第二和第四用户分支7中的阀9可被闭环控制，以建立供给管17中的目标温度。第三用户分支7的阀9可接收来自传感器11的所测量的压差，并且可被闭环控制以建立第三用户分支7的回流管15与第三用户分支7的供给管17之间的目标压差。用于每个用户分支7的闭环控制试图使预定参考目标值与由传感器11测量的实际值之间的偏差或“误差(error)”最小化。
如图1所示的流体分配系统1可能面临如下问题：用户分支7中的一个或多个消费由供给分支2提供的热水流的较高部分(a high portion)，使得其他用户分支7中的一个或多个未获得足够的热水流以达到它们的目标，即那些其他用户分支“缺料”。那些缺料的用户分支7的闭环控制会导致“饱和”情况，其中，预定参考目标值与由传感器11测量的实际值之间的偏差或“误差”不能再减少，并且“固定(settles，维持)”在一不期望的(undesirably)高值。这种“缺料”或“饱和”情况最可能出现在例如早晨从夜间模式切换到白天模式或在极高需求情况下给建筑物升温时。在这方面，在加热和冷却系统之间基本上(principally，主要地)没有区别，使得加热和冷却系统的问题基本上相同。
图2示出类似于图1的加热系统1，(相较于图1)少了一个用户分支且只有泵作为用户分支调节9。图3示出呈市政供水系统形式的流体分配系统1，其具有泵站作为供给分支2中的源元件3，以用于向作为用户分支7的两个平行压力区供水。用户分支7具有(多个)住户作为消费水的用户元件31。用户分支7中的水压由压力传感器11测量，并且被作为用户分支调节装置9的减压阀闭环控制。本公开的控制系统尤其适用于如图1、图2和图3示出的流体分配系统1，以解决出现“缺料”或“饱和”情况的问题。
本公开提出的解决方案背后的构思不是试图“理解”试运转中的流体分配系统1，以用于首先对系统进行建模而能够调整系统以避免“缺料”或
“饱和”情况。取而代之的是，该构思是在用户分支调节装置的闭环控制中自动和快速对出现或开始“缺料”或“饱和”情况作出反应。换言之，随着时间而监控每个用户分支的表明预定参考目标值与所测量的实际值之间的偏差或“误差”的饱和值，并且一旦显示饱和，流体分配就将在用户分支之间进行重新分配。
为了能够监控饱和值，可以在之前进行确定，如图4a至图4d所示的四个不同替代方案。因此，图4a至图4d示出根据本公开的控制系统的饱和计算模块21的原理功能的四个示例。在这些示例中，输入变量始终是用于用户分支调节装置9的控制值u。控制值u例如可以是用于阀的特定开度的命令值，或用于泵功率或泵速的命令值。替代地或附加地，其可以是阀的测量或估计的开度，或测量或估计的泵功率或泵速。替代地，输入变量可以是预定参考目标值与所测量的实际值之间的偏差或误差值。例如，控制器可能饱和的温度误差ΔT可被作为用于计算饱和值si或vi的输入。
输入变量可以是绝对值或相对值。在示出的示例中，作为输入变量的控制值u与阈值umin或umax相比较。确定饱和值的适当方法取决于闭环控制的种类和什么饱和值是有益的。在图4中，阈值umax是最大控制值，例如，加热系统中的阀的开度的90％。输入变量u与阈值umax之间的差乘以增益系数ai并且随时间累加或积分以得到(yield)饱和值si。下标i在此表示用户分支。如果积分为负，则饱和值si设为零。可针对每个用户分支预定增益系数ai，以鉴于(这些用户分支的)固有的对饱和的敏感性来考虑用户分支之间的差异。例如，最远离供给分支的用户分支可能比最靠近供给分支的用户分支对饱和固有地更敏感。
重要的是应该注意，不论是否超过阈值umax，都会应用累加或积分。因此，饱和值si表现平稳(smoothly，平滑地)，并且如果饱和值变为负且不超过阈值umax，则可以被重置为零。积分器重置可用于防止(饱和值)在稳定情况中终结于较大的负饱和值si，并且防止饱和的敏感性随时间而降低。
在图4b的饱和计算模块21中，阈值umin是最小控制值，例如制冷系统中的泵的泵功率的10％。为了保持穿过制冷器的最小流体流，累加的饱和值vi为负并且减少(只要输入值低于阈值umin)。在图4c的饱和计算模块21中，当监控到umin时应用负增益系数-ai以实现正饱和值si，而在图4d的饱和计算模块21中，当监控到umax时应用负增益系数-ai以实现负饱和值vi。图4a、图4b的饱和计算模块21可用于大部分闭环控制。然而，在特定情况中，图4c、图4d的饱和计算模块21可用。例如，当锅炉温度应根据最小值开度而减少时，图4c的饱和计算模块21可用。应注意的是，对于任何饱和计算模块21，阈值umin和/或umax可以是恒定的或随时间而变化。
图5a至图5c示出在饱和补偿模块23中如何处理饱和情况的三个不同示例。饱和补偿模块23中的任何一个饱和补偿模块从所有用户分支的饱和计算模块2接收负饱和值v1…m和正饱和值s1…n作为输入变量。负饱和值v1…m被累加并乘以加权系数ci。正饱和值s1…n被累加并乘以加权系数bi。这导致负信号V和正信号S，负信号和正信号用于改变参考值ri。在图5中，饱和补偿模块23通过应用公式而将参考值ri变为改变的参考值ri*。参考值ri例如可以是第i个用户分支的目标温度或目标压差。在数学术语中，饱和补偿模块23的运算可读作如下：
其中，Smax和Vmin用于设定关于将参考值ri改变多少的极限(limit)。取决于需要实现什么，可以应用替代的公式
图5b示出饱和补偿模块23的第二示例，其应用公式而将参考值ri变为改变的参考值ri*。参考值ri例如可以是第i个用户分支的目标温度或目标压差。在数学术语中，饱和补偿模块23的运算可读作如下：
其中，Smax和Vmin用于设定关于将参考值ri改变多少的极限。取决于需要实现什么，可以应用替代的公式
图5c示出饱和补偿模块23的第三示例，其应用单独的加权系数dij和eij以便求和饱和值v1…m和s1…n，以便在流体分配系统的设计条件已知并且被预定的单独的加权系数dij和eij参数化的情况下实现优化的平衡。在数学术语中，饱和补偿模块23的运算可读作如下：
可以示出的是，随后可以得到最小修正项(correction term)ri*-ri与参考值的总和，即
其中，hi为可调参数，其表明第i个用户分支必须不饱和的重要性。应该注意的是，用于应用极限Smax和Vmin的饱和块25(如图5a、图5b所示)不应用于图5c的饱和补偿模块23。饱和块25对于饱和补偿模块23而言是可选的。
应该澄清的是，通过定义(definition，限定)而只有正饱和信号存在于系统中的情况下，V信号的生成是无效的。同样，在通过定义而只含有负饱和信号的系统中，S信号的生成是无效的。参考值ri可以是用于流体分配系统中的用户分支的任意参考值，诸如温度、流量、压力、热或电功率消耗、电机速度、离心泵速度等。流体分配可涉及HVAC系统、市政供水系统，涉及区域加热和冷却或废水系统。
饱和计算模块和饱和补偿模块的上述构造的优点是，饱和出现的量(magnitude，大小)与所生成的饱和值的及时变化率成比例。因此，饱和越严重，则越快应用补偿反应。
图6示出有益的方法步骤，以应对用户分支的特定闭环控制出故障或不运行的情况。在控制系统的启动601之后，在步骤603中计算饱和信号之前，可以在步骤605中检查用户分支中的至少一个，并且优选地检查所有用户分支，其闭环控制是否运行。如果没有运行，则在步骤607中将所检查的用户分支的饱和值设为零，其中，可以定期地复查该用户分支的运行状态。只有如果其被认为是运行的，才在步骤603中计算饱和信号。
图7示出控制系统的第一示例，其中，用户分支7的闭环控制由PI控制器29执行，PI控制器可集成到用户分支控制单元37中或与其分开。PI控制器29例如可以设定用户分支7中的阀9的开度，以用于调节流过散热器(其作为用于消费热功率的用户元件)的热水流。测量值y可为由用户分支7中的传感器11测量的温度、流量或压力。PI控制器29将测量值y与改变的参考值ri*比较，并且相应地生成控制值u作为输出到用户分支7中的阀9的控制命令。控制值u的输出不仅用于设定阀的开度，还作为到饱和计算模块21中的输入，其中饱和计算模块可为图4a至图4d中示出的任意种类。所计算的饱和值si和/或vi(作为饱和计算模块21的输出)被广播，使得饱和补偿模块23能够从每个运行的用户分支(带有下标i)接收所有所计算的饱和值si…n和/或vi…m作为输入。饱和补偿模块23基于来自所有用户分支的饱和值si…n和/或vi…m改变初始参考值r(如图5a至图5c所示)。改变的参考值ri*接着被用作(输入)到PI控制器29的输入以用于控制阀9。
例如，在冷却系统的情况下，参考值可为所有用户分支中的待实现的目标温度T。在该示例中，没有负饱和值vi…m。一个用户分支i的饱和计算模块21计算正饱和值si，该正饱和值表明该用户分支i中的特定饱和度。这可为如下情况，例如，在一定时间段，该用户分支i中的阀9的开度高于最大阈值(例如90％)。饱和补偿模块23从所有用户分支i-n接收饱和值si…n，其中，只有饱和值si非零。然后，针对所有用户分支i-n改变参考值r，即，对于冷却系统，新的目标温度T*被设为略高。这导致所有非饱和的用户分支j-n的PI控制器稍微关闭它们的阀，因为需要更少的冷却功率来实现更高的新的目标温度T*。此外，用户分支i也可有助于防止所有或一些用户分支由于未完全打开其阀而缺料。现在有更多的热能流可用于缺料的用户分支i，其现在获得更高部分(fraction)的热能流，以便缓和用户分支i的饱和情况。当阀9的开度在一定时间段内再次低于最大阈值(例如90％)时，通过减少到零的饱和值si来表示饱和情况的结束。控制系统因此根据饱和的严重性而按照所需快速地针对已经发生或开始发生的饱和情况动态地作出反应。
图8与图7几乎相同，但是在此不是用作(输入)到饱和计算模块21的输入变量的控制值u，而是误差值e，其中，e是测量值y与改变的参考值r*的偏差。因此，用于一个或多个运行的用户分支的饱和值可基于测量值y和/或控制值u。在图8的示例中，误差值e＝r*-y被用作(输入)到根据图4a至图4d的其中一个饱和计算运算选项(option)中的输入，即，误差值e与阈值emin或emax的偏差(带有所应用的增益系数ai)合计产生饱和值si、vi。
图9a至图9h示出具有不同闭环控制的调节装置9和不同用户元件31的不同种类的用户分支7。图9a示出阀9，其作为用户分支7的供给管17中的调节装置，其中通过从PI控制器(图9a至图9h中未示出)接收控制值u来控制阀9。压差传感器11测量用户分支7的供给管17与回流管15之间的压差dp。压差dp的测量值y被反馈给PI控制器。用于该用户分支7的参考值r可为目标压差。在图9b中，用户分支7通过热交换器19热连接于供给分支。阀9调节热能流到用户分支7的供给管17中，其中通过从PI控制器接收控制值u来控制阀9。温度传感器11位于热交换器19下游的供给管17中。供给管泵33使流体循环穿过用户分支7。供给温度T的测量值y被反馈至PI控制器，以用于控制阀9。图9c中的用户分支7包括旁路12，该旁路将回流管15与供给管17流体地连接。三通阀9被用作闭环控制的调节装置，其中旁路12与供给管17连接。温度传感器11位于旁路12下游的供给管17中。供给温度T的测量值y被反馈至PI控制器，以用于控制阀9。图9d示出供给管17与回流管15之间的不受控的旁路12。如图9a中所示，阀9简单地调节热能流从供给分支2(参见图1)流到用户分支7的供给管17中。供给管泵33循环穿过用户分支7的流体，即，穿过旁路12的回流以及通过阀9从供给分支2输入的热能。如图9c中所示，温度传感器11位于旁路12下游的供给管17中。图9e示出呈冷却旋管形式的具有风扇35的用户元件31，其用于提供冷却气流，而图9f、图9g均示出呈加热旋管形式的具有风扇35的用户元件31，其用于提供加热气流。温度传感器11测量温度，作为用于PI控制器反馈的测量变量y。在图9e的用户分支7中，PI控制器控制作为调节装置的供给管泵9的速度和/或功率。在图9f的用户分支7中，PI控制器控制作为调节装置的供给管17中的阀9的开度。此外，在图9g中示出的用户分支7具有旁路12和供给管泵33。如图9h示出的用户分支7不是用于传递热能的流体分配系统的部分，而是市政供水网络的压力区。用户元件31是消费供水的住户本身。区域(zone)压力传感器11测量压力区中的水压，并且将其作为反馈值y提供给PI控制器，PI控制器通过设定控制值u而以闭环方式控制减压阀9。参考值r在此为目标区域压力。
图10示出呈HVAC系统形式的流体分配系统。类似于图1，系统1包括并联连接到共同(common)供给分支2的四个不同的用户分支7。然而，不同于图1，每个用户分支7被用户分支控制单元37控制。用户分支控制单元37彼此进行双向通信，使得每个控制单元37可发送信号至任意其他控制单元37并从其接收信号，优选地通过在有线或无线网络38中发送和接收广播信号。用户分支控制单元37包括饱和计算模块21和饱和补偿模块23两者。每个用户分支控制单元37发送其所确定的饱和值Si给其他用户分支控制单元37，并且接收每个其他用户分支控制单元37的各个饱和值Sj。用户分支控制单元37可被实施到内部泵或阀控制电子装置中，或内部传感器电子装置中。这意味着，饱和计算模块21和饱和补偿模块23可以以软件的形式作为附加功能被增加，软件将在泵组件的电子装置壳体和/或传感器壳体内的现有硬件上执行。替代地或附加地，用于调节装置的闭环控制的PI控制器的硬件可以通过饱和计算模块21和/或饱和补偿模块23的功能(呈软件更新的形式)来增强。
图11示出的流体分配系统1与图10示出的流体分配系统不同在于，饱和补偿模块23被实施在供给分支控制单元43中。在该示例中，用户分支控制单元37只包括饱和计算模块21，而没有饱和补偿模块23。流体分配系统1的供给分支2包括呈供给泵形式的供给分支调节装置45，用于调节穿过供给分支2的流体和/或热能的总流量。供给泵压传感器47测量供给泵压，其作为用于供给泵45的闭环控制的反馈值。饱和补偿模块被实施在供给分支2处的供给分支控制单元43中，其中，供给分支控制单元43被配置为从每个运行的用户分支7处的用户分支控制单元37接收饱和值S1-4，使得供给泵45可以基于改变的参考值r*与由供给分支2中的传感器47测量的供给泵压之间的比较而闭环控制。供给分支控制单元43可以被实施到供给泵45的内部泵控制电子装置中和/或其外部控制器中。
因此，在图11的系统中的用户分支7饱和的情况下，供给分支控制单元43可以将参考供给泵压Δpref变为更高的参考值r*，其导致供给泵45的速度和/或功率增加。显然，通过供给泵45的速度和/或功率可增加多少以缓和饱和情况来限制补偿范围。图12示意性示出饱和补偿在此如何工作，其中，在该示例中负饱和信号v1…m为零。图13中的饱和补偿类似，但是供给分支2的供给管与回流管之间的压差由传感器47测量，而不是供给泵压。
图14示出类似于图10示出的系统，其具有用户分支控制单元37，该用户分支控制单元包括用于每个用户分支7的饱和计算模块21和饱和补偿模块23。然而，附加地，还存在具有所实施的饱和计算模块21的供给分支控制单元43，其从供给分支温度传感器51接收供给温度差，供给分支温度传感器被设置为测量供给分支2中的供给温度与回流温度之间的差。当供给温度差降到预定最小值以下时，供给分支控制单元43根据图4b计算负饱和信号v1。负饱和信号v1被广播给所有用户分支控制单元37(像所有其他正饱和信号s1…4一样)，并且在饱和补偿模块中进行处理(如图5所示)。
图15示出的系统与图14的系统的不同在于，供给分支温度传感器51测量供给分支2中的绝对回流温度。当绝对回流温度升到预定最大值以上时，供给分支控制单元43根据图4a计算正饱和信号s1。正饱和信号s1被广播给所有用户分支控制单元37(像所有其他正饱和信号s1…4一样)，并且在饱和补偿模块中进行处理(如图5a至图5c所示)。
图16示意性示出如何将控制系统应用为作为用户元件31的冷水旋管的过载保护。根据图4a的饱和计算可用于提供正饱和信号s1。根据图5c的饱和补偿可用于将参考值r变为r*。最可能的是，假设第i个用户分支7未饱和，则改变的参考值r*将低于初始参考值r，使得在另一用户分支7中处于饱和情况时，-r*被应用为(输入)到PI控制器29的输入，从而使更少的热能流归因于第i个用户分支7中的冷水旋管31。由此，PI控制器会将控制值u发送给阀9，以稍微关闭。因此，将有更多的热能流可用于缺料的用户分支7，这将缓和或终结饱和情况。
图17示出冷却系统，该冷却系统既具有用户分支7中的冷水旋管31的过载保护，也具有用于制冷器53的欠载保护，该制冷器作为源元件3与供给泵5一起作用(参见图1至图3)，以在供给分支2中提供热能流。制冷器53通常需要最小流量以防止损坏。因此，如果由供给分支流量计55测量的流量降到预定最小值qmin以下(参见图18)，根据图4b的具有饱和计算模块21的供给分支控制单元43则计算负饱和值v1。如前所述，用户分支7处的用户分支控制单元37从其他用户分支7接收负饱和值v1和正饱和值s1，以用于改变参考值，该参考值作为相应地控制阀9的用户分支控制单元37的PI控制器29的输入。
代替使用供给分支流量计55，也可以使用供给分支压差传感器57(如图19所示)，以用于监控跨过制冷器53的最小压差。相应地，如果由供给分支压差传感器57测量的跨过制冷器53的压差dp降到预定最小dpmin以下(根据图4b)，供给分支控制单元43则计算负饱和值v1。
图20给出用于对温度崩溃(temperature collapse)作出反应的又另一示例，其中，供给分支2中的供给温度由设置在供给旁路60上游的一个温度传感器59和旁路12下游的另一温度传感器59测量。如果两个测量值之间的差太高，则表明不期望的流量流过供给旁路60。不同于图4a至图4d示出的饱和计算的示例，供给分支控制单元43的饱和计算模块21在此使用另一方法来计算正饱和值s1(参见图21)。供给分支控制单元43在此采用两个温度测量值作为时间变量输入，并且计算温差。当温差为零时，应用小的正偏移量(offset)k以确保输出总和(sum，合计)可为负，以便在稳定的非饱和情况中允许饱和值减少到零。假如在一定时间段内超过最大温差，则将正饱和值s1广播给用户分支7处的用户分支控制单元37。参考温度Tref,i将增加到r*，使得泵9的速度和/或功率被用户分支控制单元37内的各个PI控制器29减少。
图22示意性地示出根据本公开的具有控制系统的供水系统1。供给分支2中的泵站45作为用于经过供给分支2的总水流的源元件，该供给分支供给彼此平行连接于供给分支2的两个压力区7。泵站45也用作供给分支调节装置。每个压力区中的水压由压力传感器11测量，并且由减压阀9调节。每个压力区7具有用户分支控制单元37，其中，每个用户分支控制单元37包括饱和计算模块21和饱和补偿模块23两者。此外，提供具有饱和补偿模块23的供给分支控制单元43，以根据从用户分支控制单元37接收的饱和值s1和s2来影响泵站45中的泵的速度和/或功率(如图12所示)。因此，如果饱和情况发生在其中一个或两个压力区7处，则穿过供给分支2提供的总流量和总流量在压力区7之间的分配都被调整。
根据本公开的控制系统和方法提供针对流体分配系统中发生饱和情况的问题的自动和动态的解决方案。取决于饱和情况的严重性，控制系统的响应是依据时机和量级来自动和动态调整的。饱和情况越严重，控制系统对系统中的调节装置的闭环控制的影响就越快和越激烈(drastically)。
在前面的描述中，当提及具有已知、明显或可预见的等同物(等同形式)的整体或元件时，则将这些等同物并入本文，就如同单独阐述一样。应该参考用于确定本公开的真实范围的权利要求，其应当被解释为涵盖任何这样的等同物。读者还将理解，被描述为可选的、优选的、有利的、方便的及类似表达的本公开的整体或特征是可选的，并且不限制独立权利要求的范围。
上述实施例被理解为本公开的示例。应当理解的是，关于任何一个实施例描述的任何特征可以被单独使用，或者与所描述的其他特征结合使用，并且还可以与任何其他实施例的一个或多个特征结合使用，或者任何其他实施例的任意组合。尽管已经示出和描述至少一个示例性实施例，但是应当理解的是，其他修改、替换和替代对于本领域普通技术人员来说是显而易见的，并且可以在不脱离本文描述的主题的范围的情况下进行改变，本申请旨在覆盖本文讨论的特定实施例的任何改型或变型。
另外，“包括”不排除其他元件或步骤，并且“一”或“一个”不排除多个。此外，已经参考上述示例性实施例之一描述的特征或步骤也可以与上述其他示例性实施例的其他特征或步骤结合使用。方法步骤可以以任何顺序或平行地应用，或者可以构成另一方法步骤的一部分或更详细的版本。应该理解的是，应该将所有这样的修改合理地和适当地包括在对本领域贡献的范围内，在所授权的专利的范围内。可以在不脱离本公开的精神和范围的情况下进行这样的改变、替换和替代，本公开的精神和范围应由所附权利要求及其合法等同物来确定。

Claims (21)

1.一种用于控制流体分配系统(1)的控制系统，其中，所述流体分配系统(1)包括彼此平行布置的至少两个用户分支(7)，其中，所述至少两个用户分支(7)的每个包括：
-至少一个用户元件(31)，用于消费流体和/或热能，
-至少一个用户分支调节装置(9)，配置为接收控制值以用于调节通过相关的用户分支(7)的流体和/或热能的流量，以及
-至少一个传感器，用于提供所述相关的用户分支(7)的测量值，
其特征在于，
所述控制系统包括：
·饱和计算模块(21)，配置为提供用于每个运行的用户分支(7)的饱和值，其中，所述饱和值表明所述相关的用户分支(7)的饱和度；以及
·饱和补偿模块(23)，配置为接收所述饱和值并且改变参考值，其中，改变的参考值基于初始参考值和来自所有用户分支(7)的所述饱和值，使得每个运行的用户分支(7)的至少一个用户分支调节装置(9)基于所述改变的参考值和所述相关的用户分支(7)的测量值是能控制的，
所述至少一个用户分支调节装置(9)被配置为根据所述控制值以闭环方式被控制。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述用户分支调节装置(9)中的至少一个为泵或调节阀。
3.根据权利要求1或2所述的控制系统，其中，所述传感器中的至少一个为温度传感器、压力传感器和/或流量传感器。
4.根据权利要求1或2所述的控制系统，其中，所述饱和计算模块(21)被配置为基于所述测量值和/或所述控制值来提供用于每个运行的用户分支(7)的所述饱和值。
5.根据权利要求1或2所述的控制系统，其中，每个所述饱和值基于阈值与所述控制值之间的偏差的累加。
6.根据权利要求1或2所述的控制系统，其中，所有所述饱和值的加权总和代表相对量或绝对量，其中，所述改变的参考值与所述初始参考值相差所述相对量或所述绝对量。
7.根据权利要求1或2所述的控制系统，其中，所述饱和计算模块(21)被配置为，在提供饱和值之前确定所述用户分支(7)中的至少一个是否运行。
8.根据权利要求1或2所述的控制系统，其中，所述饱和计算模块(21)被实施在每个所述用户分支(7)处的用户分支控制单元(37)中，其中，每个所述用户分支控制单元(37)被配置为与所有其他用户分支控制单元(37)通信。
9.根据权利要求1或2所述的控制系统，其中，所述饱和补偿模块(23)被实施在每个所述用户分支(7)处的用户分支控制单元(37)中。
10.根据权利要求1或2所述的控制系统，其中，所述流体分配系统(1)包括供给分支(2)，所述供给分支包括：至少一个源元件(3)，用于提供流体和/或热能的总流量；和至少一个供给分支调节装置(45)，用于调节通过所述供给分支(2)的所述流体和/或热能的总流量，其中，所述供给分支(2)被布置成，为所述用户分支(7)供给流体和/或热能，其中，所述饱和补偿模块(23)被实施在所述供给分支(2)处的供给分支控制单元(43)中，其中，所述供给分支控制单元(43)被配置为从每个运行的用户分支(7)处的用户分支控制单元(37)接收所述饱和值，使得所述至少一个供给分支调节装置(45)基于所述改变的参考值和由所述供给分支(2)中的传感器测量的值是能控制的。
11.一种流体分配系统(1)，包括：
-彼此平行布置的至少两个用户分支(7)，其中，所述至少两个用户分支(7)的每个包括：
o至少一个用户元件(31)，用于消费流体和/或热能，
o至少一个用户分支调节装置(9)，配置为接收控制值，以用于调节通过相关的用户分支(7)的流体和/或热能的流量，以及
o至少一个传感器，用于提供所述相关的用户分支(7)的测量值，以及
-根据前述权利要求中任一项所述的控制系统。
12.一种用于控制流体分配系统(1)的方法，所述方法包括以下步骤：
-通过彼此平行布置的至少两个用户分支(7)的每个中的至少一个用户元件(31)消费流体和/或热能，
-通过每个所述用户分支(7)中的至少一个用户分支调节装置(9)，基于相关的用户分支(7)的控制值来调节经过每个所述用户分支(7)的流体和/或热能的流量，
-通过每个所述用户分支(7)中的至少一个传感器提供每个所述用户分支(7)的测量值，
-确定每个所述用户分支(7)的饱和值，其中，所述饱和值表明相关的所述用户分支(7)的饱和度，
-改变参考值，其中，改变的参考值基于初始参考值和来自所有所述用户分支(7)的饱和值，以及
-基于所述改变的参考值和所述相关的用户分支(7)的测量值来控制每个所述用户分支(7)的所述至少一个用户分支调节装置(9)，
其中，调节经过每个所述用户分支(7)的流体和/或热能的流量的步骤包括：根据所述控制值以闭环方式控制相关的用户分支调节装置(9)。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述用户分支调节装置(9)中的至少一个为泵或调节阀。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，提供每个所述用户分支的测量值的步骤包括：提供绝对温度值或温差值、绝对压力值或压差值、和/或绝对流量值或流量差值。
15.根据权利要求12或13所述的方法，其中，基于所述测量值和/或所述控制值来确定每个所述用户分支(7)的饱和值。
16.根据权利要求12或13所述的方法，其中，确定所述饱和值的步骤基于阈值与所述控制值之间的偏差的累加。
17.根据权利要求12或13所述的方法，其中，所有所述饱和值的加权总和代表百分比或绝对量，其中，所述改变的参考值与所述初始参考值相差所述百分比或所述绝对量。
18.根据权利要求12或13所述的方法，还包括在提供饱和值之前确定所述用户分支(7)中的至少一个是否运行的步骤。
19.根据权利要求12或13所述的方法，其中，确定所述饱和值的步骤在每个所述用户分支(7)处的用户分支控制单元(37)中执行，其中，所述方法还包括通过每个所述用户分支控制单元(37)与所有其他用户分支控制单元(37)通信的步骤。
20.根据权利要求12或13所述的方法，其中，控制所述至少一个用户分支调节装置(9)的步骤在每个所述用户分支(7)处的用户分支控制单元(37)中执行。
21.根据权利要求12或13所述的方法，还包括以下步骤：
-通过供给分支(2)中的至少一个源元件(3)提供流体和/或热能，其中，所述供给分支(2)被布置为向每个所述用户分支(7)供给流体和/或热能，
-通过至少一个供给分支调节装置(45)来调节经过所述供给分支(2)的流体和/或热能的流量，
-通过所述供给分支(2)处的供给分支控制单元(43)，从每个运行的用户分支(7)处的用户分支控制单元(37)接收饱和值，以及
-基于所述改变的参考值和由所述供给分支(2)中的传感器测量的值来控制所述至少一个供给分支调节装置(45)。
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