JP2011525305A - Hvacユニットの制御を調整するための方法及びシステム - Google Patents
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Abstract
【選択図】図3
Description
本出願は、2008年3月3日に出願されたClifford C.Federspielによる「METHOD AND APPARATUS FOR COORDINATING THE CONTROL OF HVAC UNITS」と題される米国仮特許出願第61/033,154号(代理人管理番号027332−000100US)、及び2009年2月2日に出願されたClifford C.Federspielによる「METHOD AND APPARATUS FOR COORDINATING THE CONTROL OF HVAC UNITS」と題される米国仮特許出願第61/149,273号(代理人管理番号027332−000101US)に基づく優先権の利益を主張するものであり、それらの内容全体がここに引用されている。
図1は、本発明の実施例に係るデータセンターのフロアプランを示す。周囲壁1は、データセンタの周囲壁又は小売店といった商業ビルの周囲壁とすることができる。データセンターは、複数のHVACユニット2、複数の環境センサ3,及び複数のサーバラック4を有する。図示するように、HVACユニットはコンピュータルームの空調(CRAC)ユニットである。
監視用コントローラ15は、各HVACユニット2の入力部12にコマンドを算出することによって、複数のHVACユニット2の作動を調整する。コマンドは、センサ3が読み込む環境センサに基づいて計算される。入力部12は、様々な異なるHVACユニット2及び/又はHVACユニット2の中のデバイス又は回路に対応し得る。
環境センサ3は、例えば、有線又は無線通信手段(Wi−Fi、Wimax、Zigby、又は他の適用なプロトコル)によって、その測定値を監視用コントローラ15に送信する。センサの実施例は、温度センサ、湿度センサ、及び圧力センサを有する。環境センサ3は、ランダムに又は規則的なパターンにしたがって位置している。また、環境センサ3をセンサ群又は独立して配置されたセンサを介して組織化し得る。
一実施例では、監視用コントローラ15は、入力部12に与えられた命令を計算し、HVACユニット2の最終制御素子(例えば、アクチュエータ)のために直接的に使用する。入力部12に送られるこれらの命令は、例えば、有線又は無線通信手段によって与えられる。
一実施例では、監視用コントローラ15は、環境センサ3及び/又はHVACユニット2から状態表示器13を受信するための手段を有する。状態表示器13を、具体例としてHVACユニット2及びセンサ3とは別々に示す。
図4は、本発明の一実施例に係る環境保持モジュール(例えば、HVACユニット)を制御する方法400を表すフローチャートを示す。本方法を説明するために、図3を参照して説明することとする。
ここで、Efは、フィードバックエラーであり、Rは、所望の参照値8のベクトルであり、Fは、環境センサ3からの対応する測定値のベクトルである。加算演算器9の出力は、擬似逆行列計算器10に入力される。
ここで、「.*」演算は、素子間の乗算を示す。
ここで、Uは左側の特異ベクトルのマトリクスであり、Σは、特異値の対角行列であり、Vは右側の特異ベクトルのマトリクスであり、V*はVの共役転置行列である。Gsの擬似逆行列は、以下のようにして計算される:
ここでU*は、UのVの共役転置行列であり、Σは、逆数によって置換される全て非ゼロエントリーの対角行列である。一実施例では、Σの非ゼロエントリーが閾値よりも小さい場合、Σ+の要素がゼロに設定される。
Ecは、各HVACユニット2の最終制御素子のそれぞれに関する(設定ポイント、デジタル制御値、又はアナログ命令信号)操作パラメータの計算誤差(変動値の一例)である。
データセンター制御で使用する実施例では、概して、アクチュエータ(例えば、冷却バルブ及び加湿器)よりもセンサ3(出力)が多く存在する。ここで、擬似逆行列
を使用して、最小自乗問題を解く。一態様では、擬似逆行列
は、定常状態において、参照値Rからの最小平均自乗偏差を有する温度分布をもたらす。したがって、実施例は、最小自乗のセンスで最小となるフィードバックエラーEfをもたらす制御動作を都合良く生成し得る。
別の実施例では、アクチュエータよりも少ないセンサ3を有する。そして、伝達関数マトリクスGは、行よりも多い列を有し、擬似逆行列
は固有ではない。一態様では、特異値分解を用いたGの計算は、数値的に強固であるだけではなく、ある場合は100%で他の場合は0%ではなく全て同じ大きさのアクチュエーションを与える「最小ノルム」解を生成する。このような演算は、多くの種類のHVAC機器に関する効果を増加させ得る。例えば、同じレベルで冗長駆動機構(例えば、並列に作動するファン)を作動させることは、より効果的である。
状態表示器13を用いた実施例では、状態表示器13がシステムにアクチュエータ又はセンサが作動しているか否かを通知する。アクチュエータが作動していない場合、故障又はオフラインになっている又は物理的過程(例えば、除湿するのに十分冷えていない冷却コイル)のいずれかにより、そのアクチュエータに関するGの列がゼロに設定され擬似逆行列が再計算される。そして、そのアクチュエータが温度分布を変化させるよう使用できない場合、制御が温度分布を新たな最小自乗フィードバックエラーに移動させる。センサが故障している場合、Gの対応する行をゼロに初期化することができ擬似逆行列を再計算する。このようなゼロへの初期化は、システムに対して故障したセンサの場所の温度について関心を持たせない効果を有する。
ゼロ又はゼロ近傍の特異値を有するGの特定の状態では、問題が浮上する。一実施例が、階数を減らした伝達関数マトリクス(Gr)擬似逆行列を用いることによって、このような問題を解決する。
一実施例では、制御エラーEcの次元は、アクチュエータの数に等しい。各制御エラーは、PIDオブジェクト11への入力である。特にGを判定するために使用される機能試験の際の測定ノイズと組み見合わせた冗長性又は部分的な冗長性により、このような方法が望ましくない結果を作り出す可能がある。例えば、伝達関数マトリクスを以下のように仮定する:
2つの列を有するため、このようなGは2つのアクチュエータに関する伝達マトリクスに対応する。このように、このGについては、各アクチュエータが各センサに関して同じような効果を有する。
図5は、本発明の一実施例に係る、センサのセットに関する同じ効果を有する環境維持モジュールを制御する方法500を示すフローチャートである。一態様では、図3の監視用コントローラ15、又は他のプロセッサで方法500を実施し得る。伝達マトリクスGにおいてゼロに近い特異値に直面する場合、本実施例は、階数を減らした擬似逆行列
を計算することによって、効果的制御を提供する。
を計算する。Vrを、有意な特異ベクトルに対応する右特異ベクトルのマトリクスとすると、
である。上述したケースの場合、
である。このような階数を減らした擬似逆行列は単に1行のみを有するため、本実施例のフィードバックループは、Gの有効階数と同じ1の積分器のみを有する。
をもたらすGの最大特異値を選択する。また、これらの特異値は、同じ符号を具えたUの列の合計に対応する。このような実施例の利点は、閾値に同じ物理的相互作用を有することである。全てのフィードバックエラーが同じである場合、閾値は全てのアクチュエータを同じ方向に移動させるレベルである。
をもたらすGの最大特異値を選択する。このような方法は、第2の方法と同じような利点を有する。非常に限られた有意な特異値を選択することになるため、挑戦的過ぎる欠点がある。
を計算する。一実施例では、最初から
を必ずしも再計算する必要がない。Gの特異値分解の結果を使用して、
を計算し得る。
を有意な特異値の対角行列の逆行列とし、
をΣrの特異値に対応するGの左特異ベクトルの転置行列とするとき、
GVr=UΣであるため、
が、例えば、各対角行列の要素の逆数(すなわち、有意な特異値)を取ることによって得られる。
及びEf=R−Fとしたとき、制御エラーEcを計算する。Rは、各センサに関する参照値で。Fは各センサからのフィードバックである。一実施例では、まずEfを計算することによって、制御エラーを計算し得る。別の実施例では、
及び
を計算した後に、差r−yを取り得る。
となる。このマトリクスの値は、フィードバックループの中の2つではなくて単に1つの積分器を用いることによって、「階数を補正した」伝達関数マトリクスの擬似逆行列Gcを与える。
アクチュエーション出力Oaを、物理的装置の可能な出力に対して大きくしたり小さくしたりすることが可能である(例えば、バルブは100%以上開かない)。このような実施例では、Oaの値が制約され、PIDオブジェクトの積分器の値が、積分器が「ワインドアップ」しないようにリセットされる。このような制約メカニズムをここに記載された方法と組み合わせることができる。
を使用する実施例について、制約されるアクチュエーション出力Oa,cが、減少した出力空間oc,cにマッピングされる。一実施例では、Vrを使用して、制約される出力を制御出力空間にマッピングする。例えば、OaがOa,cに制約されるとすぐに、Oa,cが以下のようにして減少した出力空間にマッピングされる:
ここで、Oa,cは、制約されたアクチュエーション出力のベクトルである。一態様では、アクチュエーション出力Oa,cが、PIDオブジェクトの出力範囲に効果的にマッピングされる。
図8は、本発明の一実施例に係る、準定常状態での伝達マトリクスGを計算するための方法を示すフローチャートである。
図9は、本発明の一実施例に係る、コンピュータルーム処理ユニット900の概略図である。コンピュータ処理システム900は、冷却水バルブ920によって調節される冷却水を含む冷却コイル910を有する。また、コンピュータ処理システム900は、電気コイルである再加熱コイル930と、赤外線加湿器である加湿器940とを有する。
Claims (22)
- 複数のセンサを用いて環境維持モジュールを制御する方法であって、前記方法が:
前記センサの各々からの環境測定値の第1のセットを受け取るステップと;
前記環境測定値と複数の参照値との差であって、各々が各環境測定値と対応する参照値との間である差を判定するステップと;
前記環境維持モジュールの動作パラメータの変動値を演算するステップと;
を具えており、
前記変動値が、前記差の少なくとも2つから得られる寄与を有することを特徴とする方法。 - さらに、前記環境維持モジュールの少なくとも1の追加動作パラメータの少なくとも1の追加変動値を演算するステップを具えることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- さらに、前記変動値から前記動作パラメータの新たな値を判定するステップと;
前記環境維持モジュールに前記動作パラメータの新たな値を伝えるステップと;
を具えることを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記動作パラメータの新たな値が、比例−積分−微分(PID)オブジェクトを用いて判定されることを特徴とする請求項3に記載の方法。
- さらに、前記動作パラメータの新たな値を特定の範囲に制限するステップと、
制限された出力に基づいてPIDオブジェクトをリセットするステップと、
を具えることを特徴とする請求項4に記載の方法。 - さらに、前記参照値が、温度設定を有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記環境維持モジュールが、HVACユニットであることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- さらに、少なくとも1の追加環境維持モジュールの少なくとも1の追加変動値を演算するステップを具えており、
前記環境維持モジュールの動作パラメータの変動値を演算するステップが、伝達マトリクスGの逆行列に前記差を乗算するステップを有しており、
前記伝達マトリクスGが、前記センサからの環境測定値に動作パラメータを関連付けることを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記逆行列が、擬似逆行列であることを特徴とする請求項8に記載の方法。
- さらに、いずれのセンサ又はいずれのモジュールが現在作動しているかに関連する状態マトリクスを乗算することによって、前記伝達マトリクスGを変更するステップを具えることを特徴とする請求項8に記載の方法。
- 前記状態マトリクスが、対応するセンサ又はモジュールが停止又は故障した場合に、各次元に沿ったゼロ値を有することを特徴とする請求項10に記載の方法。
- 前記伝達マトリクスが、各環境維持モジュールの各動作パラメータの変動によって発生した各センサの環境測定値の増加/減少量に関係することを特徴とする請求項8に記載の方法。
- 前記伝達マトリクスが、前記環境維持モジュールの動作パラメータの総数である1つの次元と、センサの数である別の次元を有することを特徴とする請求項12に記載の方法。
- 各センサからの測定値を使用して、環境維持モジュールごとの前記動作パラメータの変動値を演算することを特徴とする請求項8に記載の方法。
- 前記伝達マトリクスGの逆行列が、次数を減らした擬似逆行列であることを特徴とする請求項8に記載の方法。
- さらに、前記次数を減らした擬似逆行列を判定するステップを具えており、前記判定するステップが:
Gの特異値分解を演算するステップと;
有意なものとして前記特異値分解から得られる多くの有意な特異値を特定するステップと;
前記伝達マトリクスGと前記有意な特異値に関する右特異ベクトルのマトリクスVとを乗算して、得られるマトリクスを与えるステップと;
前記得られるマトリクスの逆行列を演算して、前記次数を減らした擬似逆行列を与えるステップと;
を有することを特徴とする請求項15に記載の方法。 - 複数のセンサを用いて環境維持モジュールを制御するためのシステムであって、前記システムが:
前記センサの各々からの環境測定値の第1のセットを受け取るための入力インタフェースと;
1又はそれ以上のプロセッサであって:
前記環境測定値と複数の参照値との差であって、各々が各環境測定値と対応する参照値との間である差を判定し、
前記環境維持モジュールの動作パラメータについての変動値であって、前記変動値が前記差の少なくとも2つから得られる寄与を有する変動値を演算する
ためのプロセッサと;
前記環境維持モジュールに、前記動作パラメータについての新たな値を送るための出力インタフェースと;
を具えることを特徴とするシステム。 - さらに、前記1又はそれ以上のプロセッサが、少なくとも1の追加環境維持モジュールについての少なくとも1の追加変動値を演算するよう構成されており、
前記環境維持モジュールの前記動作パラメータの前記変動値の演算が、前記差と伝達マトリクスGの逆行列とを乗算することを有しており、
前記伝達マトリクスGが、前記センサからの環境測定値に動作パラメータを関連付けることを特徴とする請求項1に記載のシステム。 - さらに、前記1又はそれ以上のプロセッサが、いずれのセンサ又はいずれのモジュールが現在動作中であるかに関連する状態マトリクスを乗算することによって、前記伝達マトリクスGを変更するよう構成されることを特徴とする請求項8に記載のシステム。
- 前記伝達マトリクスGの逆行列が、次数を減らした擬似逆行列であり、
前記1又はそれ以上のプロセッサが、前記次数を減らした擬似逆行列を判定するよう構成されており、前記判定が:
Gの特異値分解を演算するステップと;
有意なものとして前記特異値分解から得られる多くの有意な特異値を特定するステップと;
前記伝達マトリクスGと、前記有意な特異値に関する右特異ベクトルのマトリクスVとを乗算して、得られるマトリクスを与えるステップと;
前記得られるマトリクスの逆行列を演算して、前記次数を減らした擬似逆行列を与えるステップと;
を有することを特徴とする請求項8に記載のシステム。 - 複数のセンサを用いて複数の環境維持モジュールを制御する方法であって、前記方法が:
前記センサからの環境測定値の第1のセットを受け取るステップと;
前記環境測定値と複数の参照値との差であって、各々が各環境測定値と対応する参照値との間である差を判定するステップと;
第1の環境維持モジュールの動作パラメータについての第1の変動値であって、第1のセンサに関する差から得られる第1の寄与を有する前記第1の変動値を演算するステップと;
第2の環境維持モジュールの動作パラメータについての第2の変動値であって、第1のセンサに関する差から得られる第2の寄与を有する前記第2の変動値を演算するステップと;
を具えており、
前記第1の寄与が、前記第2の寄与とは異なることを特徴とする方法。 - 前記環境維持モジュールの前記動作パラメータの前記第1及び第2の変動値を演算するステップが、前記差と伝達マトリクスの逆行列とを乗算するステップを有しており、
前記伝達マトリクスが、前記センサからの環境測定値に動作パラメータを関連付け、
前記第1の環境維持モジュールについての前記動作パラメータを前記第1のセンサに関連付ける第1の伝達マトリクス成分が、前記第2の環境維持モジュールについての前記動作パラメータを前記第1のセンサに関連付ける第2の伝達マトリクス成分とは異なることを特徴とする請求項21に記載の方法。
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