JP2014508266A - 蒸気圧縮システムの動作を制御するための方法、及び、最適化コントローラー - Google Patents

Abstract

性能測定基準に従って測定されるシステムの性能が最適化されるように蒸気圧縮システムの動作を制御するためのシステム及び方法が開示される。制御信号は第１の周波数を有する摂動信号を含む修正信号を用いて修正され、制御信号は蒸気圧縮システムの少なくとも１つの構成要素を制御する。修正信号によって生じるシステムの性能における摂動を表す測定基準信号が求められ、この測定基準信号は第１の周波数に実質的に等しい第２の周波数を有する。摂動信号と測定基準信号との間の位相の関数に基づいて、性能が最適化されるように制御信号が調整される。

Description

本発明は、包括的には蒸気圧縮システムに関し、より詳細には、蒸気圧縮システムの動作を制御することに関する。

ヒートポンプ、冷却システム、及び空調システム等の蒸気圧縮システムが、産業用途及び住宅用途で広く用いられている。可変速圧縮機、可変位置弁、及び可変速ファンを蒸気圧縮サイクルに導入することによって、そのようなシステムの動作の柔軟性が大幅に改善した。これらの新たな構成要素を正確に制御することによって、これらの構成要素を用いて蒸気圧縮システムの効率を改善することが可能である。

例えば、圧縮機の速度は冷媒の流量を調節するように調整することができる。蒸発器ファン及び凝縮器ファンの速度は、空気と熱交換器との間の熱伝達率を変えるように変更することができる。膨張弁の開度を変更することによって、蒸気圧縮システムの高圧側と低圧側との間の圧力降下に直接影響を与えることができ、これによって、ひいては、冷媒の流量、及び対応する蒸発器出口における過熱に影響を及ぼす。

特定の熱量を伝達する蒸気圧縮システムへの指令入力の組合せが多くの場合に一意でなく、これらの様々な組合せによって様々な量のエネルギーが消費される。したがって、エネルギーを最小にし、それによって効率を最大にする入力の組合せを用いて蒸気圧縮システムを動作させることが望ましい。

従来から、エネルギー効率を最大にする方法は、蒸気圧縮システムの物理学の数学モデルを使用することに頼る。それらのモデルに基づく方法は、蒸気圧縮システムの構成要素の指令入力がシステムの熱力学的挙動及び消費されるエネルギーに及ぼす影響を記述しようと試みる。それらの方法では、モデルを用いて、熱負荷要件を満たしかつエネルギーを最小にする入力の組合せを予測する。

しかしながら、最適化入力の選択のために数学モデルを使用することは幾つかの重要な欠点を有する。第１に、モデルは数学的に扱いやすい表現を生成するために、仮定を単純化することに頼る。これらの仮定は多くの場合に、重大な影響を無視しているか、又は部屋の大きさ等の設置特有の特性を考慮せず、システムのモデルをシステムの実際の動作特性から逸脱させる。

第２に、製造プロセス中のこれらのシステムの変動は多くの場合に、同じタイプであるが異なる入出力特性を示す蒸気圧縮システムを生成するほど大きく、したがって、製造プロセスの結果として生成されたコピー間の変動を単一のモデルによって正確に記述することはできない。

第３に、これらのモデルは導出し較正するのにコストがかかる。例えば、蒸気圧縮システムの構成要素、例えば圧縮機の動作を記述するパラメーターは、用いられる圧縮機のタイプごとに実験的に求められ、完全な蒸気圧縮システムのモデルは多くのそのようなパラメーターを有する場合がある。モデルごとにこれらのパラメーターの値を求めることは非常に困難である。最後に、蒸気圧縮システムは、経時的に変化することが知られている。１つの時点における蒸気圧縮システムの動作を正確に記述するモデルは、後に、例えば冷媒が徐々に漏れることに起因して又は熱交換器において腐食が蓄積することに起因してシステムが変化するにつれて、正確でなくなる場合がある。

図１は、構成要素、例えば可変設定作動装置を備える従来の蒸気圧縮システム１００を示している。構成要素には、蒸発器ファン１１４と、凝縮器ファン１１３と、膨張弁１１１と、圧縮機１１２と、を含めることができる。システムは、例えばサーモスタットからの設定点１１５及びセンサー１３０からの読取り値を受け取り、構成要素の動作を制御する制御信号の組を出力する役割を果たすコントローラー１２０によって制御することができる。コントローラー１２０は、制御信号の組を、対応する構成要素の特定の制御入力の組に変換する制御デバイスの組に動作可能に接続される。例えば、コントローラーは、圧縮機制御デバイス１２２と、膨張弁制御デバイス１２１と、蒸発器ファン制御デバイス１２４と、凝縮器ファン制御デバイス１２３と、に接続される。

このようにして、コントローラーは、所与の熱負荷について設定点値が達成されるように蒸気圧縮システムの動作を制御する。

しかしながら、システムの動作は最適でない可能性がある。上記を考慮すると、蒸気圧縮システムの動作を、動作の熱負荷が満たされ、システムの性能が最適化されるように制御するための方法が当該技術分野において必要とされている。ここで、この方法はモデルベースでなく、システムの特性が徐々に変化するにつれて経時的に適応することができる。

本発明の目的は、蒸気圧縮システムの動作を、動作の熱負荷要件が満たされ、システムの性能が最適化されるように制御するためのシステム及び方法を提供することである。

本発明の更なる目的は、蒸気圧縮システムのモデルを用いることなくそのようなシステム及び方法を提供することである。

本発明の更なる目的は、システムの特性が徐々に変化する場合であっても、システムの動作中に経時的にシステムの性能を最適化するシステム及び方法を提供することである。

本発明の更なる目的は、システムの１つ又は幾つかの構成要素を制御することによって蒸気圧縮システム全体の性能を最適化するシステム及び方法を提供することである。

本発明の更なる目的は、システムの動作中にリアルタイムでシステムの性能を最適化するシステム及び方法を提供することである。

本発明の更なる目的は、単純な設計を有し、システムの性能の様々な測定基準に適応することができるシステム及び方法を提供することである。

本発明の更なる目的は、システムの動作中に熱負荷が突然変化する場合であっても性能の最適化を可能にするシステム及び方法を提供することである。

本発明の幾つかの実施の形態は、蒸気圧縮システムの動作中に性能測定基準に従って測定されるシステムの性能が最適化される、例えば最大にされるか又は最小にされるように蒸気圧縮システムの少なくとも１つの構成要素を制御するためのシステム及び方法を開示する。

本発明の幾つかの実施の形態は、蒸気圧縮システムの構成要素の動作とシステムの性能との間に凸型の関係が存在するという認識に基づいている。これらの実施の形態は、システムの動作中の或る動作点における構成要素と性能との間の関係を求め、この関係を用いて構成要素の動作を制御する制御信号を修正して性能を最適化する、例えばシステムのエネルギー消費を最小にするか又はシステムの効率を最大にする。様々な実施の形態では、１つ又は幾つかの構成要素の動作が性能を最適化するように修正される。一方、１つの実施の形態では、１つの構成要素に対する動作の修正によって蒸気圧縮システム全体の性能が最適化する。

この認識によれば、蒸気圧縮システムの動作中にシステムのモデルを用いることなくリアルタイムで性能を最適化することも可能になる。また、性能がリアルタイムで最適化されるので、冷媒の漏れ又は熱交換器上の腐食等の蒸気圧縮システムの特性の変化がそれらの実施の形態に及ぼす影響は最小である。

幾つかの実施の形態は、制御信号が正弦波信号によって摂動する場合には、その摂動によって引き起こされる蒸気圧縮システムの応答も正弦波であり、正弦波信号間の位相の関数に基づいて凸型の関係を求めることができるという別の認識に基づく。この認識によれば、三角演算を用いて凸型の関係を求められるようになり、これによって幾つかの実施の形態の設計を簡単にし、複雑さを緩和する。また、この認識によれば、幾つかの実施の形態は、システムの動作中に熱負荷が突然変化する場合であっても性能を最適化できるようになる。この理由は、正弦波摂動に対するシステムの応答も、同じ周波数を有する正弦波となるためである。したがって、システムの熱負荷に対する変更、例えば、室内の窓の開放は、システムの正弦波応答の雑音として取り扱うことができ、その雑音は除去することができる。

例えば、本発明の１つの態様は、性能測定基準に従って測定される蒸気圧縮システムの性能が最適化されるように、該蒸気圧縮システムの動作を制御するための方法を開示する。本方法は、第１の周波数を有する摂動信号を含む修正信号を用いて制御信号を修正するステップであって、前記制御信号は前記蒸気圧縮システムの少なくとも１つの構成要素を制御するステップと、
前記修正信号によって生じた前記システムの前記性能における摂動を表す測定基準信号を求めるステップであって、前記測定基準信号は前記第１の周波数に実質的に等しい第２の周波数を有する、ステップと、
前記摂動信号と前記測定基準信号との間の位相の関数に基づいて、前記性能が最適化されるように前記制御信号を調整するステップと、
を含み、該方法のこれらのステップはプロセッサによって実行される。

例えば、前記位相の前記関数は、前記位相の正負符号及び前記位相のシフトのうちの少なくとも一方を含む。前記性能の前記測定基準は前記蒸気圧縮システムの効率性を含むことができ、また、前記調整することは、
前記位相が正である場合に前記制御信号の値を増大させることと、
前記位相が負である場合に前記制御信号の前記値を減少させることと、
を含む。代替的に、前記性能の前記測定基準は前記蒸気圧縮システムのエネルギー消費を含むことができ、前記調整することは、
前記位相が正である場合に前記制御信号の値を減少させることと、
前記位相が負である場合に前記制御信号の前記値を増大させることと、
を更に含む。

幾つかの実施の形態では、本方法は、例えば位相の関数に基づいて修正値を求めることができ、修正値に基づいて修正信号の値を変更することができる。代替的に、本方法は修正値に基づいて制御信号の値を変更することができる。

幾つかの実施の形態では、本方法は、
前記性能を表す前記蒸気圧縮システムの出力信号を測定することと、
前記出力信号をハイパスフィルターにかけることであって、前記測定基準信号を生成することと、
を含むことができる。本方法はまた、
前記摂動信号と前記測定基準信号との積をローパスフィルターにかけることであって、前記積の定数項を生成し、該定数項の正負符号は前記位相の前記関数に対応することと、
前記定数項に基づいて修正値を求めることと、
を含むことができる。

１つの実施の形態では、本方法は前記修正値を前記摂動信号と合成することであって、前記修正信号を生成することを含むことができる。

幾つかの実施の形態では、本方法は前記定数項を積分することによって前記修正値を生成することができる。付加的に又は代替的に、本方法は前記定数項を積分することによって前記修正値を更新することができる。本方法はまた、
前記修正値を利得係数と乗算することであって、前記利得係数の正負符号は前記性能測定基準に依拠すること、
を含むことができる。例えば、この性能が最大化されるべきである場合には、利得係数の符号は正である。代替的に、この性能が最小化されるべきである場合には、利得係数の符号は負である。利得係数は、性能測定基準に応じて、実施の形態を適応的に変更することを可能にする。

本発明の別の態様は、性能測定基準に従って測定される蒸気圧縮システムの性能が最適化されるように、該蒸気圧縮システムの動作を制御するための方法であって、前記システムの少なくとも１つの構成要素が制御信号に基づいて制御される方法を開示する。該方法は、
修正値を有する修正信号及び摂動信号を用いて前記制御信号を周期的に修正するステップと、
前記摂動信号と前記修正信号によって生じた前記性能の摂動を表す測定基準信号との関数に基づいて前記修正値を適応的に調整するステップであって、前記摂動信号及び前記測定基準信号は実質的に同一の周波数を有する正弦波信号であるステップと、
を含む。

１つの実施の形態では、本方法はまた、
前記摂動信号と前記測定基準信号との積を求めることであって、前記積は定数項と正弦波項とを含むことと、
前記定数項の正負符号に基づいて前記修正値を更新することと、
前記修正値を利得係数と乗算することであって、前記利得係数の正負符号は前記性能測定基準に依拠することと、
のうちの１つ又はそれらの組合せを含むことができる。

本発明の別の態様は、性能測定基準に従って測定された蒸気圧縮システムの性能を最適化するための最適化コントローラーを開示する。最適化コントローラーは、
摂動信号を生成するための摂動モジュールと、
前記システムの前記性能を表す出力信号を受信するのに応答して測定基準信号を求めるためのハイパスフィルターと、
前記摂動信号と前記測定基準信号との積の定数項を求めるためのローパスフィルターと、
前記定数項の符号に基づいて修正値を求めるための１組の積分器と、
前記修正値を前記摂動信号と合成して、前記性能が最適化されるように前記システムの少なくとも１つの構成要素の制御信号を修正するのに適した前記修正信号を出力するための最適化モジュールと、
を備えることができる。

様々な実施の形態では、最適化コントローラーはまた、
前記修正値に利得係数を乗算するための利得係数モジュールであって、前記利得係数の正負符号は前記性能測定基準に依拠する、利得モジュールと、
前記修正信号の前記出力を遅延させるための遅延モジュールと、
前記出力信号を受信するための受信機と、
前記修正信号を用いて前記制御信号を修正するための修正モジュールと、
のうちの１つ又はそれらの組合せを備えることができる。

定義
本発明の実施の形態を説明する際に、全体を通じて（上記を含む）以下の定義が適用可能である。

「コンピューター」は、構造化された入力を受け取り、その構造化された入力を所定の規則に従って処理し、処理結果を出力として生成することが可能な任意の装置を指す。コンピューターの例には、コンピューター、汎用コンピューター、スーパーコンピューター、メインフレーム、スーパーミニコンピューター、ミニコンピューター、ワークステーション、マイクロコンピューター、サーバー、双方向テレビ、コンピューター及び双方向テレビのハイブリッドな組合せ、並びにコンピューター及び／又はソフトウェアをエミュレートする特定用途向けハードウェアが含まれる。コンピューターは単一のプロセッサ、又は並列に動作すること及び／又は並列に動作しないことができる複数のプロセッサを有することができる。コンピューターは、コンピューター間で情報を送信又は受信するためのネットワークを介してともに接続された２つ以上のコンピューターも指す。そのようなコンピューターの例には、ネットワークによってリンクされたコンピューターを介して情報を処理する分散コンピューターシステムが含まれる。

「中央処理ユニット（ＣＰＵ）」又は「プロセッサ」は、ソフトウェア命令を読み出して実行するコンピューター又はコンピューターの構成要素を指す。

「メモリ」又は「コンピューター可読媒体」は、コンピューターによってアクセス可能なデータを記憶するための任意のストレージを指す。例には、磁気ハードディスク、フロッピー（登録商標）ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ又はＤＶＤのような光ディスク、磁気テープ、メモリチップ、並びに電子メールを送受信する際に、又はネットワーク及びコンピューターメモリ、例えばランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）にアクセスする際に用いられる搬送波等の、コンピューター可読電子データを搬送するのに用いられる搬送波が含まれる。

「ソフトウェア」は、コンピューターを動作させるための所定の規則を指す。ソフトウェアの例には、ソフトウェア、コードセグメント、命令、コンピュータープログラム、及びプログラムロジックが含まれる。インテリジェントシステムのソフトウェアは自己学習が可能とすることができる。

「モジュール」又は「ユニット」は、タスク又はタスクの一部を実行するコンピューターにおける基本構成要素を指す。「モジュール」又は「ユニット」は、ソフトウェアによってもハードウェアによっても実施することができる。

「制御システム」は、他のデバイス又はシステムの挙動を、管理、命令、指示、又は調節するデバイス又はデバイスの組を指す。制御システムは、ソフトウェアでもハードウェアでも実装することができ、１つ又は幾つかのモジュールを備えることができる。フィードバックループを含む制御システムは、マイクロプロセッサを用いて実装することができる。制御システムは組込みシステムとすることができる。

「コンピューターシステム」は、コンピューターを有するシステムを指す。ここで、コンピューターは、コンピューターを動作させるソフトウェアを具現するコンピューター可読媒体を備える。

「ネットワーク」は、通信設備によって接続された複数のコンピューター及び関連デバイスを指す。ネットワークは、ケーブル等の永久接続、電話若しくは他の通信リンクを通じてなされた接続等の一時接続、及び／又は無線接続を含む。ネットワークの例は、インターネット（Internet）等の相互接続ネットワーク（internet）、イントラネット、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、ワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）、並びに相互接続ネットワーク及びイントラネット等のネットワークの組合せを含む。

「蒸気圧縮システム」は、熱力学、流体力学、及び／又は熱伝達の原理に基づいてシステムの構成要素を通じて冷媒を動かす蒸気圧縮サイクルを用いるシステムを指す。蒸気圧縮システムは、限定ではないが、ヒートポンプ、冷却システム、及び空調システムとすることができる。蒸気圧縮システムは、住宅空間又は商業空間の調節を超える用途で用いられる。例えば、蒸気圧縮サイクルは、蒸気圧縮システムが高性能計算用途においてコンピューターチップを冷却するのに用いることができる。

「ＨＶＡＣ」システムは、蒸気圧縮サイクルを実装する任意の暖房換気空調（ＨＶＡＣ）システムを指す。ＨＶＡＣシステムは、建物の居住者に外気のみを供給するシステムから、建物の温度を制御するのみのシステム、温度及び湿度を制御するシステムまでの範囲にわたる、非常に広範なシステムの集合の範囲に及ぶ。

「蒸気圧縮システムの構成要素」は、制御システムによって制御可能な動作を有する蒸気圧縮システムの任意の構成要素を指す。構成要素は、限定ではないが、冷媒を圧縮し、システム内に圧送するための可変速を有する圧縮機と、システムの高圧部と低圧部との間で調整可能な圧力降下を提供する膨張弁と、蒸発熱交換器及び凝縮熱交換器と、を備え、蒸発熱交換器及び凝縮熱交換器のそれぞれが、その熱交換器を通る空気流量を調整するための可変速ファンを組み込んでいる。

「蒸発器」は、蒸気圧縮システムにおける熱交換器を指し、この熱交換器において、熱交換器を通過する冷媒が、熱交換器の長さにわたって蒸発し、それによって、熱交換器の出口における冷媒の比エンタルピーが、熱交換器の入口における冷媒の比エンタルピーよりも高くなり、冷媒は通常、液体から気体に変化する。なお、蒸気圧縮システム内に１つ又は複数の蒸発器を設けてもよい。

「凝縮器」は、蒸気圧縮システムにおける熱交換器を指し、この熱交換器において、熱交換器を通過する冷媒が、熱交換器の長さにわたって凝縮し、それによって、熱交換器の出口における冷媒の比エンタルピーが、熱交換器の入口における冷媒の比エンタルピーよりも低くなり、冷媒は通常、気体から液体に変化する。なお、蒸気圧縮システム内に１つ又は複数の凝縮器を設けてもよい。

「制御信号組」は、蒸気圧縮システムの構成要素の動作を制御するための入力の特定の値を指す。制御信号組は、限定ではないが、圧縮機の速度値と、膨張弁の位置の値と、蒸発器におけるファンの速度値と、凝縮器におけるファンの速度値と、を含む。

「設定点」は、蒸気圧縮システム等のシステムが動作の結果として到達し維持することを目的とする目標値を指す。設定点という用語は、特定の制御信号組並びに熱力学パラメーター及び環境パラメーターの任意の特定の値に適用される。

従来の蒸気圧縮システムのブロック図である。 本発明の幾つかの実施形態による、蒸気圧縮システムと一体化されたエネルギー最適化コントローラーのブロック図である。 本発明の１つの実施形態によるシステムの性能を最適化するための方法のブロック図である。 本発明の１つの実施形態によるシステムの性能を最適化するための方法のブロック図である。 蒸発器ファン速度と蒸気圧縮システムによって消費されるエネルギーとの間の凸型の関係の例である。 蒸発器ファン速度と蒸気圧縮システムによって消費されるエネルギーとの間の凸型の関係の例である。 正弦波信号が適用されるときの２つの動作点における凸性能インデックスの入出力挙動の概略図である。 正弦波信号が適用されるときの２つの動作点における凸性能インデックスの入出力挙動の概略図である。 本発明の１つの実施形態による最適化コントローラーのブロック図である。 図６の最適化コントローラーの動作の方法のフローチャートである。

図２は、本発明の一実施形態による、システムの性能を最適化する蒸気圧縮システム２００のブロック図を示している。システム１００と同様に、システム２００は、蒸発器ファン２１４と、凝縮器ファン２１３と、膨張弁２１１と、圧縮機２１２と、圧縮機制御デバイス２２２と、膨張弁制御デバイス２２１と、蒸発器ファン制御デバイス２２４と、凝縮器ファン制御デバイス２２３と、のうちの１つ又はそれらの組合せを含むことができる。システム２００は、設定点２１５及びセンサー２３０の読取り値を受け取り、システム２００の構成要素の動作のための制御信号の組を出力する役割を果たす監視コントローラー２２０によって制御される。システム２００は、他の構成としてもよい。

システム２００はまた、監視コントローラーによって少なくとも１つの制御デバイスに対し出力された制御信号を修正するための最適化コントローラー２４０によって制御される。例えば、最適化コントローラーは蒸発器ファン制御デバイス２４４に出力される制御信号を修正する。１つの実施形態では、最適化コントローラーは修正信号２６０を制御信号の値に加えることによって制御信号２５０を修正する（２４５）。修正信号は摂動信号を含む。摂動信号は第１の周波数を有する正弦波信号である。１つの実施形態では、修正信号は修正値も含む。

最適化コントローラーの目的は、性能測定基準に従って測定されたシステムの性能を最適化することである。測定基準の例は、限定ではないが、動作中にシステムによって消費されるエネルギーとシステム効率とを含む。

最適化コントローラーは、性能測定基準に従って測定されたシステムの性能を表す蒸気圧縮システムの出力信号２７０を受信する。例えば、出力信号はシステムによって消費されるエネルギーを表すことができる。出力信号は、修正信号によって生じるシステムの性能における摂動を表す測定基準信号を含む。測定基準信号は、摂動信号の第１の周波数に実質的に等しい第２の周波数を有する正弦波信号である。

様々な実施形態では、最適化コントローラーは、摂動信号と測定基準信号との間の位相の関数に基づいて制御信号を調整し、性能が最適化されるようにする。例えば、最適化コントローラーは、例えば位相の関数として修正値を求め、この修正値を修正信号２６０に追加する。付加的に又は代替的に、最適化コントローラーは制御信号２５０を修正するためにこの修正値を監視コントローラーに送信することができる（２４１）。

図３Ａは、１つの実施形態による、性能の測定基準３０５に従って性能が最適化されるように蒸気圧縮システムの動作を制御するための方法のブロック図を示している。様々な実施形態において、本方法のステップはプロセッサによって実行される（３０１）。

制御信号２５０は、第１の周波数３１６を有する摂動信号３１５を含む修正信号を用いて修正される（３１０）。修正信号によって生じるシステムの性能の摂動を表す測定基準信号３２５が求められる（３２０）。測定基準信号は、第１の周波数３１５に実質的に等しい（３３１）第２の周波数３２６を有する。

次に、摂動信号と測定基準信号との間で求められた（３３０）位相の関数３２５に基づいて制御信号２５０の値が調整される（３４０）。様々な実施形態において、位相の関数は、位相の正負符号又は位相のシフトのうちの１つ又はそれらの組合せを含む。制御信号は、性能が最適化されるように調整される。例えば、１つの実施形態では、性能測定基準はシステムのエネルギー消費であり、このため、この性能は最小化されなくてはならない。この実施形態では、調整は、位相が正の場合に制御信号の値を減少させ（３４２）、位相が負の場合に制御信号の値を増大させる（３４１）ことを含む。

代替的な実施形態では、性能測定基準はシステムの効率であり、性能は最大にされるべきである。この実施形態では、変更は、位相が正の場合に制御信号の値を増大させ（３４１）、位相が負の場合に制御信号の値を減少させる（３４２）ことを含む。幾つかの実施形態は修正値３５０を求め、修正値に基づいて制御信号を調整する。１つの実施形態は、修正値を制御信号２５０に加えるように監視コントローラーに命令することによって、修正値を用いて制御信号を調整する。別の実施形態は、修正値を修正信号に加えることによって修正値を用いて制御信号を調整する。この実施形態では、制御信号は修正２４５中に修正値を用いて調整される。

様々な実施形態は、図３Ｂに示すように、蒸気圧縮システムの動作の少なくとも一部の間に修正信号を用いて制御信号を周期的に修正する。修正信号は修正値３５０及び摂動信号３１５を含む。動作中、修正値は測定基準信号３２５及び摂動信号３１５の関数として適応的に調整される（３８０）。通常、摂動信号は修正されないままであるが、測定基準信号は制御信号の修正に応じて変化する。制御信号は、システム２００が修正に応じるのに必要とする場合がある遅延３６０に起因して周期的に修正され（３７０）、それによって測定基準信号が修正され、定常状態に達する。次に、修正値が調整され、例えば増大又は減少されて、以前の修正によって生じた測定基準信号の変化に適応する。

図４Ａは、構成要素の動作値、例えば蒸発器ファンの速度４４０と、性能、例えばシステムによって消費されるエネルギー４５０との間の凸型の関係を示す性能曲線４０１を示している。例えば、点４３０は、ファン速度の現在の速度が最適である、例えば、ファンのその速度によって、システムが最小のエネルギー消費で動作する場合の動作点に対応する。点４１０は、ファンの現在の速度が最適な速度よりも低い場合の動作点に対応し、点４２０は、ファンの現在の速度が最適な速度よりも高い場合の動作点に対応する。様々な実施形態において、エネルギーは、蒸気圧縮システム全体が消費する総エネルギー又は全体エネルギーを指す。

幾つかの実施形態は、傾き４１１及び４２１が、ファンの速度に対応する制御信号が性能を最適化するために減少されるべきであるか又は増大されるべきであるかを示すことができるという認識に基づいている。例えば、傾き４１１は、エネルギーを最小にするために、ファンの速度を増大させるべきであることを示す。対照的に、傾き４２１は、速度を減少させるべきであることを示す。

図４Ｂは、ファンの速度及びシステムによって消費されるエネルギーに対応する制御信号の変化のグラフを示している。制御信号は、経時的に適応的に調整される。また、修正された制御信号及び測定基準信号は正弦波信号であり、制御信号の正弦波的変化に起因する性能における変化を、他の外乱、例えば熱負荷の変化によって生じた変化と区別することを可能にする。また、信号の正弦波的特性によって、正弦波信号の位相に基づいて凸型の関係を解析することが可能になる。

図２を参照すると、修正信号ｓ（ｔ）３１５は、下式のように、修正値ｓ^＊と、摂動信号Ａｓｉｎ（ｗｔ）とを含む。

動作の開始時に、修正値はゼロとすることができる。一方、蒸気圧縮システムの動作中、修正値は制御信号を最適化することを可能にし、正弦波摂動は、最適性を保持するように修正値を周期的に調整することを可能にする。

例えば、監視コントローラーは、蒸発器ファンに、６００ｒｐｍで回転するように命令することができ、最適化コントローラーは、５０ｒｐｍに対応する修正値を加えることによって信号を調整することができる。最適化コントローラーは、現在の動作点における性能のインデックスの曲線の傾きを推定するために、正弦波摂動を更に加える。この例では、制御デバイス、例えば制御デバイス２２４に送信される修正された制御信号２５５は、６５０ｒｐｍ＋摂動信号である。摂動信号は、システムを最適な動作点に向かわせるために、修正値５０ｒｐｍを更に調整するのに用いられる。

例を利用し、図５Ａおよび図５Ｂを参照して、実施形態の原理及び正弦波信号の凸型の関係を更に説明する。蒸気圧縮システムが冷却モードで動作している（屋内熱交換器は蒸発器である）と仮定すると、目標は、可能な限り最小のエネルギーを消費しながら、室内温度を調節することである。この例において、曲線における初期定常状態動作点は４１０であり、それによって、ファンの速度は最適なエネルギー消費には低すぎ、屋内室温は設定点温度に等しい。監視コントローラーはＮ個の蒸気圧縮システム制御信号を生成する。Ｎ−１個の制御信号がそれぞれの制御デバイスに直接送信され、１つの制御信号の値が最適化コントローラーによって修正される。

最適化コントローラーは、信号ｓ_１（ｔ）５１０を制御信号に加える。信号ｓ_１（ｔ）５１０は、摂動信号Ａ_１ｓｉｎ（ｗｔ）と修正値ｓ_１ ^＊５２０とを含む。正弦波摂動によって、後述するように、性能のインデックスの曲線の傾きの推定が可能になる。

例えば、正弦波摂動信号ｓ_１（ｔ）５１０の初期部分は増大しており、すなわち、ｓｉｎ（ｗｔ）関数はｔ＝０において開始した。正弦波信号の増大部分はファンの速度を増大させ、これによってひいては蒸発器にわたる熱伝達が増大し、室内温度が下がる。監視コントローラーは、この下がった温度をその正規関数の一部として検出し、設定点温度を達成するのに必要とされる冷却はより少ないので、圧縮機にその速度を減少させるように命令する。

圧縮機は、蒸気圧縮システムにおいて最大量のエネルギーを消費するので、エネルギー消費全体が減少する。この減少は、位相を有する、すなわち、測定基準信号に起因して摂動信号と逆の、性能の出力信号Ｖ_１（ｔ）５３０として測定される。Ｖ_１（ｔ）５３０の位相は、ｓ_１（ｔ）５１０と比較して約１８０度シフトされているので、現在の動作点４１０における曲線の傾きは負である。最適化コントローラーはこの傾き情報を用いて修正信号の修正値ｓ_１ ^＊５２０を修正し、エネルギー消費値Ｖ_１ ^＊５４０をその最適値に近づける。最適化コントローラーは、エネルギー消費の最小値に到達し、システムが点４３０で動作するまで蒸発器ファンの速度の修正値を変更し続ける。このようにして、最適化コントローラーは、１つの制御デバイスしか制御しないにもかかわらず、エネルギー節減に対し劇的な影響を与えることができる。

同様に、蒸気圧縮システムの初期動作点が点４２０にあり、正弦波摂動信号ｓ_２（ｔ）５５０が適用される場合、エネルギー応答Ｖ_２（ｔ）５７０は正弦波摂動とほとんど同相にあり（largely in phase）、最適化コントローラーは、現在の動作点における性能曲線の傾きが正であると判断する。したがって、最適化コントローラーは、命令入力ｓ_２ ^＊５６０の修正値を減少させ、それによって消費エネルギーＶ_２ ^＊５８０を減少させ、最終的にはシステムを点４３０で動作させる。

上述した例では、性能測定基準はエネルギー消費であり、したがって、目標はこの性能を最小にすることである。幾つかの実施形態は、性能の異なる測定基準、例えばシステムの効率を用いる。これらの実施形態は、性能を最大にするように最適化コントローラーを修正する。

図６は、本発明の１つの実施形態による最適化コントローラー６００のブロック図を示している。図７は、最適化コントローラー６００の動作方法のフローチャートを示している。図６及び図７は説明の目的でのみ提供され、本発明の範囲を制限することを意図したものではない。様々な実施形態において、最適化コントローラーの構成は、説明した構成要素のうちの１つ又は幾つかを含む。

最適化コントローラーは、以下の構成要素、すなわち、摂動信号３１５を生成する（７１０）ための摂動モジュール６１０、及び性能測定基準に従って性能を表す蒸気圧縮システムの出力信号２７０を受信（７７０）又は測定するための受信機６０１のうちの１つ又は幾つかを備えることができる。動作中、出力信号Ｖ（ｔ）は、公称値Ｖ^＊に加えて、測定基準信号Ｂｓｉｎ（ｗｔ）３２５を含む。

最適化コントローラーは、出力信号の受信に応じて測定基準信号を求める（７２０）ためのハイパスフィルター６２０と、摂動信号及び測定基準信号の積６２５の定数項を求める（７３０）ためのローパスフィルター６３０とを備えることができる。ハイパスフィルターは、出力信号から公称値Ｖ^＊を除去して、測定基準信号を生成するように設計される。測定基準信号は、雑音等の他のソースから発生する他の高周波数成分を含む場合がある。測定基準信号は摂動信号と同じ周波数を含み、同じ周波数の２つの正弦波が乗算されると、結果の式は、下式に従って定数項及び正弦波項を有する。

位相の関数、及び性能曲線の傾きは、定数項Ｂ／２において符号化される。双方の正弦波信号が（図５Ｂにおけるｓ_２（ｔ）５５０及びＶ_２（ｔ）５７０のように）同相にある場合、定数項は正である。一方、現在の動作点における性能曲線の傾きが負である場合、２つの正弦波は（図５Ｂにおけるｓ_１（ｔ）５１０及びＶ_１（ｔ）５３０のように）位相がずれており、上記の式の右辺は負の定数項を有する。最適化コントローラーは、定数項Ｂ／２の正負符号を用いて性能曲線の傾きを求めることができる。

１つの実施形態では、定数項であるＢ／２項のみが必要であるので、摂動周波数の２倍を有する正弦波項は、ローパスフィルター６３０を用いて除去される。

最適化コントローラーは、定数項６３５の正負符号に基づいて修正値３５０を求める（７４０）ための積分器６４０を備えることができる。

定数項の正負符号は、現在の修正値ｓ^＊が、制御信号の値Ｖを最適化するｓの値と比較して大きすぎるか又は小さすぎるかを示す。積分器６４０は、傾き情報に基づいて修正値をいかに変更するかを求めるために定数項Ｂ／２を積分する。様々な実施形態では、積分器は修正値の新たな値を生成する（７８０）か、又は修正値の以前の値を更新する（７９０）。

最適化コントローラーは、修正値に利得係数を乗算するための利得係数モジュールも備えることができる。ここで、利得係数の正負符号は、性能測定基準に依拠する。通常、利得係数を乗算することは、２つの目標を果たす。第１に、利得係数によって、最適化コントローラーが傾きの情報に反応する速度が決まる。例えば、利得係数の大きさが小さいと、制御信号の値の変化が低速になる。第２に、利得係数の正負符号によって、最適化コントローラーが性能のインデックスを最大にするか又は最小にするかが決まる。エネルギー消費等の性能を最小にしなくてはならない実施形態では、利得係数Ｋの正負符号は負である。利得係数Ｋが負であり、定数項が負である場合、制御信号の値が増大される。これは、性能曲線における最小値の探索と一致している。性能を最大にしなくてはならない実施形態では、利得係数Ｋは正である。利得係数モジュールは、最適化コントローラーが蒸気圧縮システムの種々の目的に適応するのを容易にする。

最適化コントローラーは、修正値を摂動信号と合成して（７５０）、性能が最適化されるように、システムの少なくとも１つの構成要素の制御信号を修正するのに適した修正信号３１５を出力するための最適化モジュール６５５も備えることができる。幾つかの実施形態は、修正信号を用いて制御信号を修正するための修正モジュールも含む。

幾つかの実施形態では、最適化コントローラーは、摂動信号を受け取る遅延モジュール６６０も備える。遅延モジュールは、蒸気圧縮システムの動態（dynamics）によって生じた遅延を補償する。摂動信号の周波数が蒸気圧縮システムの支配的な動態（dynamics）よりも著しく遅い場合には、一般的に遅延モジュールは不要である。

本発明の上述した実施形態は、多数の方法のうちの任意のものにおいて実施することができる。例えば、実施形態は、ハードウェア、ソフトウェア、又はそれらの組合せを用いて実施することができる。ソフトウェアコードは、ソフトウェアにおいて実施されるとき、単一のコンピューターにおいて提供されているか複数のコンピューター間で分散されているかにかかわらず任意の適切なプロセッサ又はプロセッサ群において実行することができる。そのようなプロセッサは、集積回路構成要素内の１つ又は複数のプロセッサとともに、集積回路として実装することができる。しかし、プロセッサは、任意の適切なフォーマットの回路部を用いて実装することもできる。

また、本明細書において概説される様々な方法又はプロセスは、様々なオペレーティングシステム又はプラットフォームのうちの任意のものを用いる１つ又は複数のプロセッサ上で実行可能なソフトウェアとして符号化することができる。加えて、そのようなソフトウェアは、複数の適切なプログラミング言語及び／又はプログラミングツール若しくはスクリプティングツールのうちの任意のものを用いて書くことができ、フレームワーク又は仮想マシン上で実行される実行可能な機械語コード又は中間コードとしてコンパイルすることもできる。通常、プログラムモジュールの機能は、様々な実施形態において所望に応じて組み合わせることも分散することもできる。

また、本発明の実施形態は、例が提供された方法として実施することができる。方法の一部として実行される動作は、任意の適切な方法で順序付けしてもよい。したがって、動作が示したものと異なる順序で実行される実施形態を構築してもよく、これには、例示の実施形態では一連の動作として示されたにもかかわらず、幾つかの動作を同時に実行することを含めてもよい。

特許請求の範囲における、請求項の構成要素を修飾する「第１の」、「第２の」等の順序を示す語の使用は、１つの請求項構成要素の別の請求項構成要素に対するいかなる優先度、優位性、若しくは順序、又は方法の動作が実行される時間的順序もそれ自体が暗示するものではなく、単に、或る特定の名前を有する１つの請求項構成要素を、（順序を示す用語を用いることを除いて）同じ名前を有する別の要素と区別し、請求項構成要素間を区別するためのラベルとしてのみ用いられる。

システム２００はまた、監視コントローラーによって少なくとも１つの制御デバイスに対し出力された制御信号を修正するための最適化コントローラー２４０によって制御される。例えば、最適化コントローラーは蒸発器ファン制御デバイス２２４に出力される制御信号を修正する。１つの実施形態では、最適化コントローラーは修正信号２６０を制御信号の値に加えることによって制御信号２５０を修正する（２４５）。修正信号は摂動信号を含む。摂動信号は第１の周波数を有する正弦波信号である。１つの実施形態では、修正信号は修正値も含む。

制御信号２５０は、第１の周波数３１６を有する摂動信号３１５を含む修正信号を用いて修正される（３１０）。修正信号によって生じるシステムの性能の摂動を表す測定基準信号３２５が求められる（３２０）。測定基準信号は、第１の周波数３１６に実質的に等しい（３３１）第２の周波数３２６を有する。

次に、摂動信号と測定基準信号との間で求められた（３３０）位相の関数３３５に基づいて制御信号２５０の値が調整される（３４０）。様々な実施形態において、位相の関数は、位相の正負符号又は位相のシフトのうちの１つ又はそれらの組合せを含む。制御信号は、性能が最適化されるように調整される。例えば、１つの実施形態では、性能測定基準はシステムのエネルギー消費であり、このため、この性能は最小化されなくてはならない。この実施形態では、調整は、位相が正の場合に制御信号の値を減少させ（３４２）、位相が負の場合に制御信号の値を増大させる（３４１）ことを含む。

Claims (20)

1. 性能測定基準に従って測定される蒸気圧縮システムの性能が最適化されるように、該蒸気圧縮システムの動作を制御するための方法であって、
   第１の周波数を有する摂動信号を含む修正信号を用いて制御信号を修正するステップであって、前記制御信号は前記蒸気圧縮システムの少なくとも１つの構成要素を制御する、ステップと、
   前記修正信号によって生じた前記蒸気圧縮システムの前記性能における摂動を表す測定基準信号を求めるステップであって、前記測定基準信号は前記第１の周波数に実質的に等しい第２の周波数を有する、ステップと、
   前記摂動信号と前記測定基準信号との間の位相の関数に基づいて、前記性能が最適化されるように前記制御信号を調整するステップと、
   を含み、
   該方法のこれらのステップはプロセッサによって実行される、方法。
2. 前記位相の前記関数は、前記位相の正負符号及び前記位相のシフトのうちの少なくとも一方を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記性能の前記測定基準は前記蒸気圧縮システムの効率であり、前記調整することは、
   前記位相が正である場合に前記制御信号の値を増大させることと、
   前記位相が負である場合に前記制御信号の前記値を減少させることと、
   を含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記性能の前記測定基準は前記蒸気圧縮システムのエネルギー消費であり、前記調整することは、
   前記位相が正である場合に前記制御信号の値を減少させることと、
   前記位相が負である場合に前記制御信号の前記値を増大させることと、
   を含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記調整することは、
   修正値を求めることと、
   前記修正値に基づいて前記制御信号の値を修正することと、
   を含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記調整することは、
   修正値を求めることと、
   前記修正値に基づいて前記修正信号の値を修正することと、
   を含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記求めることは、
   前記性能を表す前記蒸気圧縮システムの出力信号を測定することと、
   前記出力信号をハイパスフィルターにかけて、前記測定基準信号を生成することと、
   を更に含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記調整することは、
   前記摂動信号と前記測定基準信号との積をローパスフィルターにかけて、前記積の定数項を生成し、該定数項の正負符号は前記位相の前記関数に対応することと、
   前記定数項に基づいて修正値を求めることと、
   を更に含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記修正値を求めることは、
   前記定数項を積分して、前記修正値を生成すること、
   を更に含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記修正値を求めることは、
    前記定数項を積分して、前記修正値を更新すること、
    を更に含む、請求項８に記載の方法。
11. 前記修正値を求めることは、
    前記修正値を利得係数と乗算すること
    を更に含み、
    前記利得係数の正負符号は前記性能測定基準に依拠する、
    請求項８に記載の方法。
12. 前記修正値を前記摂動信号と合成して、前記修正信号を生成すること、
    を更に含む、請求項８に記載の方法。
13. 性能測定基準に従って測定される蒸気圧縮システムの性能が最適化されるように、該蒸気圧縮システムの動作を制御するための方法であって、前記蒸気圧縮システムの少なくとも１つの構成要素が制御信号に基づいて制御され、該方法は、
    修正値を有する修正信号及び摂動信号を用いて前記制御信号を周期的に修正するステップと、
    前記摂動信号と前記修正信号によって生じた前記性能の摂動を表す測定基準信号との関数に基づいて前記修正値を適応的に調整するステップであって、前記摂動信号及び前記測定基準信号は実質的に同一の周波数を有する正弦波信号である、ステップと、
    を含む、方法。
14. 前記調整することは、
    前記摂動信号と前記測定基準信号との積を求めることであって、前記積は定数項と正弦波項とを含むことと、
    前記定数項の正負符号に基づいて前記修正値を更新することと、
    を更に含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記修正値を利得係数と乗算することであって、前記利得係数の正負符号は前記性能測定基準に依拠すること、
    を更に含む、請求項１４に記載の方法。
16. 性能測定基準に従って測定された蒸気圧縮システムの性能を最適化するための最適化コントローラーであって、
    摂動信号を生成するための摂動モジュールと、
    前記蒸気圧縮システムの前記性能を表す出力信号を受信するのに応答して測定基準信号を求めるためのハイパスフィルターと、
    前記摂動信号と前記測定基準信号との積の定数項を求めるためのローパスフィルターと、
    前記定数項の符号に基づいて修正値を求めるための積分器と、
    前記修正値を前記摂動信号と合成して、前記性能が最適化されるように前記システムの少なくとも１つの構成要素の制御信号を修正するのに適した前記修正信号を出力するための最適化モジュールと、
    を備える、最適化コントローラー。
17. 前記修正値に利得係数を乗算するための利得係数モジュール
    を更に備え、
    前記利得係数の正負符号は前記性能測定基準に依拠する、
    請求項１６に記載の最適化コントローラー。
18. 前記修正信号の前記出力を遅延させるための遅延モジュールを更に備える、請求項１６に記載の最適化コントローラー。
19. 前記出力信号を受信するための受信機を更に備える、請求項１６に記載の最適化コントローラー。
20. 前記修正信号を用いて前記制御信号を修正するための修正モジュールを更に備える、請求項１６に記載の最適化コントローラー。

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