JP2018181331A - 制約ハンドリングを伴う極値探索制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】 制約ハンドリングを伴う極値探索制御システムを提供する。【解決手段】 極値探索制御システムは、ビルディングの可変状態または条件に影響を与えるように動作可能なプラントと極値探索制御装置とを含む。極値探索制御装置は、プラントに制御入力を与え、プラントから第１のフィードバックとして性能変数を受信するように構成される。プラントは、制御入力を使用して性能変数に影響を及ぼす。極値探索制御装置は、プラントから第２のフィードバックとして制約付き変数を受信し、制約付き変数にペナルティ関数を適用することによって性能ペナルティを計算するように構成される。極値探索制御装置は、性能ペナルティを用いて性能変数を修正して修正済みの費用関数を生成し、制御入力に対する修正済みの費用関数の勾配を推定し、制御入力を変調することによって修正済みの費用関数の勾配をゼロに向けて動かすようにさらに構成される。【選択図】図９

Description

関連特許出願の相互参照
本願は、参照によりその全開示を本明細書に援用する、２０１７年４月１２日に出願された米国仮特許出願第６２／４８４，６８１号明細書の優先権の利益を主張する。

本開示は、一般に極値探索制御（ＥＳＣ）システムに関する。ＥＳＣとは、特定の性能指数を最適化するためにシステムの未知のおよび／または経時変化する入力を動的に探索することができる自己最適化制御戦略の類である。ＥＳＣは、ディザ信号を使用することによる勾配探索の動的実現と見なすことができる。システム動作に僅かな摂動を与え、復調手段を適用することにより、システム入力ｕに対するシステム出力ｙの勾配を得ることができる。閉ループ系内の負帰還回路を使用することで勾配をゼロに向けて動かすことにより、システム性能の最適化を得ることができる。ＥＳＣはモデルに基づかない制御戦略であり、つまりＥＳＣがシステムを最適化するために、制御されるシステムのためのモデルが不要であることを意味する。

ＥＳＣは、操作変数に対する費用関数の勾配に関する特性のオンライン推定を概して含む。この勾配測度がゼロである点まで移動するために操作変数を継続的に調節することができる。上限および下限を使用することにより、操作されている変数に制約を適用するのが簡単である。しかし、一定の境界内でＥＳＣの動作の影響を受ける他の変数も制約することが望ましい場合がある。ＥＳＣの影響を受ける他の変数に制約を適用する問題はＥＳＣの枠組み内では扱うのが困難であり得る。

本開示の一実装形態は、ビルディングの可変状態または条件に影響を与えるように動作可能なプラントと極値探索制御装置とを含む極値探索制御システムである。極値探索制御装置は、プラントに制御入力を与え、プラントから第１のフィードバックとして性能変数を受信するように構成される。プラントは、制御入力を使用して性能変数に影響を及ぼす。極値探索制御装置は、プラントから第２のフィードバックとして制約付き変数を受信し、制約付き変数にペナルティ関数を適用することによって性能ペナルティを計算するように構成される。極値探索制御装置は、性能ペナルティを用いて性能変数を修正して修正済みの費用関数を生成し、制御入力に対する修正済みの費用関数の勾配を推定し、制御入力を変調することによって修正済みの費用関数の勾配をゼロに向けて動かすようにさらに構成される。

一部の実施形態では、制約付き変数が所定範囲から逸脱する量に基づいてペナルティ関数が単調増加する。一部の実施形態では、極値探索制御装置が所定範囲を決定するようにさらに構成される。

一部の実施形態では、ペナルティ関数がデッドバンド関数に基づく。デッドバンド関数は、制約付き変数が制約付き変数の最小値と制約付き変数の最大値との間にあるときゼロ値を有し、制約付き変数が最小値を下回るとき線形に減少し、制約付き変数が最大値を上回るとき線形に増加する。

一部の実施形態では、制約付き変数に基づいてデッドバンド関数の値を計算してデッドバンド値を生成し、デッドバンド値の二乗値または絶対値を計算することによって性能ペナルティを計算するように極値探索制御装置が構成される。一部の実施形態では、極値探索制御装置がディザ信号を用いて制御入力を増大するように構成される。

本開示の別の実装形態は方法である。その方法は、ビルディングの可変状態または条件に影響を与えるためにプラントを動作させるステップと、プラントに制御入力を与え、プラントから第１のフィードバックとして性能変数を受信するステップとを含む。プラントは、制御入力を使用して性能変数に影響を及ぼす。この方法は、プラントから第２のフィードバックとして制約付き変数を受信するステップと、制約付き変数にペナルティ関数を適用することによって性能ペナルティを計算するステップと、性能ペナルティを用いて性能変数を修正して修正済みの費用関数を生成するステップと、制御入力に対する修正済みの費用関数の勾配を推定するステップと、制御入力を変調することによって修正済みの費用関数の勾配をゼロに向けて動かすステップとをさらに含む。

一部の実施形態では、制約付き変数が所定範囲から逸脱する量に基づいてペナルティ関数が単調増加する。一部の実施形態では、この方法が所定範囲を自動で決定するステップをさらに含む。

一部の実施形態では、ペナルティ関数がデッドバンド関数に基づく。デッドバンド関数は、制約付き変数が制約付き変数の最小値と制約付き変数の最大値との間にあるときゼロ値を有し、制約付き変数が最小値を下回るとき線形に減少し、制約付き変数が最大値を上回るとき線形に増加する。

一部の実施形態では、性能ペナルティを計算するステップが、制約付き変数に基づいてデッドバンド関数の値を計算してデッドバンド値を生成するステップと、デッドバンド値の二乗値または絶対値を計算するステップとを含む。一部の実施形態では、性能ペナルティを計算するステップが、デッドバンドの二乗値または絶対値にスケーリングパラメータを掛けるステップも含む。一部の実施形態では、性能ペナルティを用いて性能変数を修正して修正済みの費用関数を生成するステップが、性能変数に１と性能ペナルティとの和を掛けるステップを含む。

一部の実施形態では、この方法がディザ信号を用いて制御入力を増大するステップも含む。

本開示の別の実装形態は極値探索制御装置である。極値探索制御装置は、性能変数および制約付き変数を受信するためにプラントに通信可能に結合される制約ハンドラを含む。プラントは、極値探索制御装置からの制御入力に応答して性能変数および制約付き変数に影響を及ぼすように動作可能である。制約ハンドラは、制約付き変数にペナルティ関数を適用することによって性能ペナルティを計算し、性能ペナルティを用いて性能変数を修正して修正済みの費用関数を生成し、修正済みの費用関数を性能勾配プローブに与えるように構成される。性能勾配プローブは、制御入力に対する修正済みの費用関数の勾配を推定し、その勾配を操作変数アップデータに与えるように構成される。操作変数アップデータは、プラントが勾配をゼロに向けて動かすための更新済み信号を生成するように構成される。

一部の実施形態では、制約付き変数が所定範囲から逸脱する量に基づいてペナルティ関数が単調増加する。一部の実施形態では、操作変数アップデータが、ディザ信号を用いて更新済み制御信号を増大するように構成される。一部の実施形態では、制約ハンドラが、性能変数に１と性能ペナルティとの和を掛けることにより、ペナルティ関数を用いて性能変数を修正して修正済みの費用関数を生成するように構成される。

上記の概要は単に例示にすぎず、何ら限定を意図するものではないことを当業者には理解されたい。特許請求の範囲によってのみ定義される、本明細書で述べるデバイスおよび／またはプロセスの他の態様、進歩性のある特徴、および利点は、本明細書で述べる詳細な説明を添付図面と併せて読めば明らかになろう。

一部の実施形態による、ＨＶＡＣシステムを備えるビルディングの図である。 一部の実施形態による、図１のビルディングと共に使用可能なウォーターサイドシステムの概略図である。 一部の実施形態による、図１のビルディングと共に使用可能なエアサイドシステムの概略図である。 一部の実施形態による、図１のビルディングを監視し制御するために使用可能なビルディング管理システム（ＢＭＳ）のブロック図である。 一部の実施形態による、図１のビルディングを監視し制御するために使用可能な別のＢＭＳのブロック図である。 一部の実施形態による、プラントに与えられる制御入力に摂動を与えるために周期的ディザ信号を使用する極値探索制御（ＥＳＣ）システムのブロック図である。 一部の実施形態による、プラントに与えられる制御入力に摂動を与えるために周期的ディザ信号を使用する別のＥＳＣシステムのブロック図である。 一部の実施形態による、制約ハンドラを有するＥＳＣシステムのブロック図である。 一部の実施形態による、ＥＳＣ内の制約を扱うためのプロセスの流れ図である。 一部の実施形態による、制約境界に関するデッドゾーンのグラフである。 一部の実施形態による、単一の部屋を冷却するシミュレートされた屋上ユニットの略図である。 一部の実施形態による、給気温度を制御するために使用されるＥＳＣアルゴリズム内のペナルティ項なしの、およびペナルティ項ありの給気温度設定値のグラフである。 一部の実施形態による、ＥＳＣアルゴリズム内のペナルティ項なしの、およびペナルティ項ありの電力消費量のグラフである。 一部の実施形態による、図１０に示す制御動作に起因する室温応答のグラフである。 一部の実施形態による、図１０に示す制御動作に起因する室内空気の相対的な湿度応答のグラフである。

ビルディングＨＶＡＣシステムおよびビルディング管理システム

ここで図１〜図５を参照すると、いくつかの実施形態による、本開示のシステムおよび方法を実装することができるいくつかのビルディング管理システム（ＢＭＳ）およびＨＶＡＣシステムが示されている。簡潔に要約すると、図１はＨＶＡＣシステム１００を備えるビルディング１０を示す。図２は、ビルディング１０に供給するために使用可能なウォーターサイドシステム２００のブロック図である。図３は、ビルディング１０に供給するために使用可能なエアサイドシステム３００のブロック図である。図４は、ビルディング１０を監視し制御するために使用可能なＢＭＳのブロック図である。図５は、ビルディング１０を監視し制御するために使用可能な別のＢＭＳのブロック図である。

ビルディングおよびＨＶＡＣシステム

特に図１を参照すると、ビルディング１０の斜視図が示されている。ビルディング１０は、ＢＭＳによってサービス提供される。ＢＭＳは、一般に、ビルディングまたはビルディングエリアの内部または周辺の機器を制御、監視、および管理するように構成されたデバイスのシステムである。ＢＭＳは、例えば、ＨＶＡＣシステム、セキュリティシステム、照明システム、火災警報システム、ビルディングの機能もしくはデバイスを管理することが可能な任意の他のシステム、またはそれらの任意の組合せを含むことができる。

ビルディング１０にサービス提供するＢＭＳは、ＨＶＡＣシステム１００を含む。ＨＶＡＣシステム１００は、ビルディング１０のための暖房、冷房、換気、または他のサービスを提供するように構成された複数のＨＶＡＣデバイス（例えば、加熱器、冷却器、エアハンドリングユニット、ポンプ、ファン、熱エネルギー貯蔵装置など）を含み得る。例えば、ＨＶＡＣシステム１００は、ウォーターサイドシステム１２０およびエアサイドシステム１３０を含むものとして示されている。ウォーターサイドシステム１２０は、加熱または冷却された流体をエアサイドシステム１３０のエアハンドリングユニットに提供し得る。エアサイドシステム１３０は、加熱または冷却された流体を使用して、ビルディング１０に提供される気流を加熱または冷却し得る。ＨＶＡＣシステム１００で使用され得る例示的なウォーターサイドシステムおよびエアサイドシステムについては、図２〜３を参照してより詳細に述べる。

ＨＶＡＣシステム１００は、冷却器１０２、ボイラ１０４、および屋上エアハンドリングユニット（ＡＨＵ）１０６を含むものとして示されている。ウォーターサイドシステム１２０は、ボイラ１０４および冷却器１０２を使用して、作動流体（例えば水やグリコールなど）を加熱または冷却することができ、作動流体をＡＨＵ１０６に循環させ得る。様々な実施形態において、ウォーターサイドシステム１２０のＨＶＡＣデバイスは、（図１に示されるように）ビルディング１０内もしくは周囲に位置していても、または中央プラント（例えば冷却器プラント、蒸気プラント、熱プラントなど）など場外の位置に位置していてもよい。作動流体は、ビルディング１０に暖房が必要とされているか冷房が必要とされているかに応じて、ボイラ１０４で加熱されるか、または冷却器１０２で冷却され得る。ボイラ１０４は、例えば、可燃性材料（例えば天然ガス）を燃焼することによって、または電気加熱要素を使用することによって、循環される流体に熱を加え得る。冷却器１０２は、循環される流体を、熱交換器（例えば蒸発器）内の別の流体（例えば冷媒）との熱交換関係にして、循環される流体から熱を吸収し得る。冷却器１０２および／またはボイラ１０４からの作動流体は、配管１０８を通してＡＨＵ１０６に輸送され得る。

ＡＨＵ１０６は、（例えば冷却コイルおよび／または加熱コイルの一以上のステージを通って）ＡＨＵ１０６を通過する気流と作動流体を熱交換関係にすることができる。気流は、例えば外気、ビルディング１０内からの還気、またはそれら両方の組合せであってもよい。ＡＨＵ１０６は、気流と作動流体との間で熱を伝達して、気流を加熱または冷却し得る。例えば、ＡＨＵ１０６は、一以上のファンまたは送風機を含んでもよく、ファンまたは送風機は、作動流体を含む熱交換器の上に、または熱交換器を通して空気を流すように構成される。次いで、作動流体は、配管１１０を通って冷却器１０２またはボイラ１０４に戻り得る。

エアサイドシステム１３０は、ＡＨＵ１０６によって供給される気流（すなわち給気流）を、給気ダクト１１２を通してビルディング１０に送給し、還気を、ビルディング１０から還気ダクト１１４を通してＡＨＵ１０６に提供し得る。いくつかの実施形態では、エアサイドシステム１３０は、複数の可変空気体積（ＶＡＶ）ユニット１１６を含む。例えば、エアサイドシステム１３０は、ビルディング１０の各フロアまたは区域に別個のＶＡＶユニット１１６を含むものとして示されている。ＶＡＶユニット１１６は、ビルディング１０の個々の区域に提供される給気流の量を制御するように動作させることができるダンパまたは他の流量制御要素を含み得る。他の実施形態では、エアサイドシステム１３０は、中間ＶＡＶユニット１１６または他の流量制御要素を使用せずに、（例えば供給ダクト１１２を通して）ビルディング１０の一以上の区域に給気流を送給する。ＡＨＵ１０６は、給気流の属性を測定するように構成された様々なセンサ（例えば温度センサや圧力センサなど）を含み得る。ＡＨＵ１０６は、ＡＨＵ１０６内および／またはビルディング区域内に位置するセンサからの入力を受信することができ、ＡＨＵ１０６を通る給気流の流量、温度、または他の属性を調節して、ビルディング区域に関する設定値条件を実現し得る。

ウォーターサイドシステム

ここで図２を参照すると、いくつかの実施形態によるウォーターサイドシステム２００のブロック図が示されている。様々な実施形態において、ウォーターサイドシステム２００は、ＨＶＡＣシステム１００内のウォーターサイドシステム１２０を補助するか、もしくはそれに置き代わってもよく、またはＨＶＡＣシステム１００とは別個に実装されてもよい。ＨＶＡＣシステム１００に実装されるとき、ウォーターサイドシステム２００は、ＨＶＡＣシステム１００内のＨＶＡＣデバイスのサブセット（例えばボイラ１０４、冷却器１０２、ポンプ、弁など）を含んでもよく、加熱または冷却された流体をＡＨＵ１０６に供給するように動作し得る。ウォーターサイドシステム２００のＨＶＡＣデバイスは、ビルディング１０内に（例えばウォーターサイドシステム１２０の構成要素として）位置しても、中央プラントなど場外の位置に位置してもよい。

図２で、ウォーターサイドシステム２００は、複数のサブプラント２０２〜２１２を有する中央プラントとして示されている。サブプラント２０２〜２１２は、加熱器サブプラント２０２、熱回収冷却器サブプラント２０４、冷却器サブプラント２０６、冷却塔サブプラント２０８、高温熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）サブプラント２１０、および冷熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）サブプラント２１２を含むものとして示されている。サブプラント２０２〜２１２は、公益事業からの資源（例えば水、天然ガス、電気など）を消費して、ビルディングまたはキャンパスの熱エネルギー負荷（例えば温水、冷水、暖房、冷房など）を提供する。例えば、加熱器サブプラント２０２は、加熱器サブプラント２０２とビルディング１０との間で温水を循環させる温水ループ２１４内の水を加熱するように構成され得る。冷却器サブプラント２０６は、冷却器サブプラント２０６とビルディング１０との間で冷水を循環させる冷水ループ２１６内の水を冷却するように構成され得る。熱回収冷却器サブプラント２０４は、冷水ループ２１６から温水ループ２１４に熱を伝達して、温水のための追加加熱および冷水のための追加冷却を可能にするように構成され得る。凝縮器水ループ２１８が、冷却器サブプラント２０６内の冷水から熱を吸収し、吸収された熱を冷却塔サブプラント２０８内に排除するか、または吸収された熱を温水ループ２１４に伝達し得る。高温ＴＥＳサブプラント２１０および低温ＴＥＳサブプラント２１２は、その後の使用のために、それぞれ高熱および低熱エネルギーを貯蔵し得る。

温水ループ２１４および冷水ループ２１６は、ビルディング１０の屋上に位置するエアハンドラ（例えばＡＨＵ１０６）に、またはビルディング１０の個々のフロアもしくは区域（例えばＶＡＶユニット１１６）に、加熱および／または冷却された水を送給し得る。エアハンドラは、水が流れる熱交換器（例えば加熱コイルまたは冷却コイル）に空気を押し通して、空気を加熱または冷却する。加熱または冷却された空気は、ビルディング１０の個々の区域に送給されて、ビルディング１０の熱エネルギー負荷を提供し得る。次いで、水はサブプラント２０２〜２１２に戻り、さらなる加熱または冷却を受ける。

サブプラント２０２〜２１２は、ビルディングへの循環用の水を加熱および冷却するものとして図示されて述べられているが、熱エネルギー負荷を供給するために水の代わりに、または水に加えて、任意の他のタイプの作動流体（例えばグリコールやＣＯ２など）が使用されてもよいことを理解されたい。他の実施形態では、サブプラント２０２〜２１２は、中間伝熱流体を必要とせずに、ビルディングまたはキャンパスに加熱および／または冷却を直接提供し得る。ウォーターサイドシステム２００に対するこれらおよび他の変形形態も本開示の教示の範囲内にある。

サブプラント２０２〜２１２はそれぞれ、サブプラントの機能を実現しやすくするように構成された様々な機器を含み得る。例えば、加熱器サブプラント２０２は、温水ループ２１４内の温水に熱を加えるように構成された複数の加熱要素２２０（例えばボイラや電気加熱器など）を含むものとして示されている。また、加熱器サブプラント２０２は、いくつかのポンプ２２２および２２４を含むものとして示されており、これらのポンプ２２２および２２４は、温水ループ２１４内で温水を循環させ、個々の加熱要素２２０を通る温水の流量を制御するように構成される。冷却器サブプラント２０６は、冷水ループ２１６内の冷水から熱を除去するように構成された複数の冷却器２３２を含むものとして示されている。また、冷却器サブプラント２０６は、いくつかのポンプ２３４および２３６を含むものとして示されており、ポンプ２３４および２３６は、冷水ループ２１６内で冷水を循環させ、個々の冷却器２３２を通る冷水の流量を制御するように構成される。

熱回収冷却器サブプラント２０４は、冷水ループ２１６から温水ループ２１４に熱を伝達するように構成された複数の熱回収熱交換器２２６（例えば冷蔵回路）を含むものとして示されている。また、熱回収冷却器サブプラント２０４は、いくつかのポンプ２２８および２３０を含むものとして示されており、ポンプ２２８および２３０は、熱回収熱交換器２２６を通して温水および／または冷水を循環させ、個々の熱回収熱交換器２２６を通る水の流量を制御するように構成される。冷却塔サブプラント２０８は、凝縮器水ループ２１８内の凝縮器水から熱を除去するように構成された複数の冷却塔２３８を含むものとして示されている。また、冷却塔サブプラント２０８は、いくつかのポンプ２４０を含むものとして示されており、ポンプ２４０は、凝縮器水ループ２１８内で凝縮器水を循環させ、個々の冷却塔２３８を通る凝縮器水の流量を制御するように構成される。

高温ＴＥＳサブプラント２１０は、後の使用のために温水を貯蔵するように構成された高温ＴＥＳタンク２４２を含むものとして示されている。また、高温ＴＥＳサブプラント２１０は、一以上のポンプまたは弁を含んでもよく、これらのポンプまたは弁は、高温ＴＥＳタンク２４２の内外への温水の流量を制御するように構成される。低温ＴＥＳサブプラント２１２は、後の使用のために冷水を貯蔵するように構成された低温ＴＥＳタンク２４４を含むものとして示されている。また、低温ＴＥＳサブプラント２１２は、一以上のポンプまたは弁を含むこともあり、これらのポンプまたは弁は、低温ＴＥＳタンク２４４の内外への冷水の流量を制御するように構成される。

いくつかの実施形態では、ウォーターサイドシステム２００内のポンプ（例えばポンプ２２２、２２４、２２８、２３０、２３４、２３６、および／または２４０）またはウォーターサイドシステム２００内のパイプラインの一以上が、それらに関連付けられた隔離弁を含む。隔離弁は、ウォーターサイドシステム２００内の流体の流れを制御するために、ポンプと一体化されても、ポンプの上流または下流に位置決めされてもよい。様々な実施形態において、ウォーターサイドシステム２００は、ウォーターサイドシステム２００の特定の構成と、ウォーターサイドシステム２００によって提供される負荷のタイプとに基づいて、より多数、より少数、または異なるタイプのデバイスおよび／またはサブプラントを含むこともある。

エアサイドシステム

ここで図３を参照すると、いくつかの実施形態によるエアサイドシステム３００のブロック図が示されている。様々な実施形態において、エアサイドシステム３００は、ＨＶＡＣシステム１００内のエアサイドシステム１３０を補助するか、もしくはそれに置き代わってもよく、またはＨＶＡＣシステム１００とは別個に実装されてもよい。ＨＶＡＣシステム１００に実装されるとき、エアサイドシステム３００は、ＨＶＡＣシステム１００内のＨＶＡＣデバイスのサブセット（例えばＡＨＵ１０６、ＶＡＶユニット１１６、ダクト１１２〜１１４、ファン、ダンパなど）を含んでもよく、ビルディング１０内または周辺に位置し得る。エアサイドシステム３００は、ウォーターサイドシステム２００によって提供される加熱または冷却された流体を使用して、ビルディング１０に提供される気流を加熱または冷却するように動作し得る。

図３に、エアサイドシステム３００が、エコノマイザ型エアハンドリングユニット（ＡＨＵ）３０２を含むものとして示されている。エコノマイザ型ＡＨＵは、加熱または冷却のためにエアハンドリングユニットによって使用される外気および還気の量を変える。例えば、ＡＨＵ３０２は、ビルディング区域３０６から還気ダクト３０８を通して還気３０４を受け取ってもよく、給気ダクト３１２を通してビルディング区域３０６に給気３１０を送給してもよい。いくつかの実施形態では、ＡＨＵ３０２は、ビルディング１０の屋根に位置する屋上ユニット（例えば図１に示されるＡＨＵ１０６）、または還気３０４と外気３１４との両方を受け取るように他の場所に位置決めされた屋上ユニットである。ＡＨＵ３０２は、混ざり合って給気３１０を生成する外気３１４と還気３０４との量を制御するために、排気ダンパ３１６、混合ダンパ３１８、および外気ダンパ３２０を動作させるように構成され得る。混合ダンパ３１８を通過しない還気３０４は、ＡＨＵ３０２から排気ダンパ３１６を通して排気３２２として排出され得る。

各ダンパ３１６〜３２０は、アクチュエータによって動作することができる。例えば、排気ダンパ３１６はアクチュエータ３２４によって動作することができ、混合ダンパ３１８はアクチュエータ３２６によって動作することができ、外気ダンパ３２０はアクチュエータ３２８によって動作することができる。アクチュエータ３２４〜３２８は、通信リンク３３２を介してＡＨＵ制御装置３３０と通信し得る。アクチュエータ３２４〜３２８は、ＡＨＵ制御装置３３０から制御信号を受信することができ、ＡＨＵ制御装置３３０にフィードバック信号を提供し得る。フィードバック信号は、例えば、現在のアクチュエータまたはダンパ位置の標示、アクチュエータによって及ぼされるトルクまたは力の量、診断情報（例えばアクチュエータ３２４〜３２８によって実施された診断テストの結果）、ステータス情報、試運転情報、構成設定、較正データ、および／またはアクチュエータ３２４〜３２８によって収集、記憶、もしくは使用され得る他のタイプの情報もしくはデータを含み得る。ＡＨＵ制御装置３３０は、一以上の制御アルゴリズム（例えば、状態ベースアルゴリズム、極値探索制御（ＥＳＣ）アルゴリズム、比例積分（ＰＩ）制御アルゴリズム、比例積分微分（ＰＩＤ）制御アルゴリズム、モデル予測制御（ＭＰＣ）アルゴリズム、フィードバック制御アルゴリズムなど）を使用してアクチュエータ３２４〜３２８を制御するように構成されたエコノマイザ制御装置であってもよい。

引き続き図３を参照すると、ＡＨＵ３０２は、給気ダクト３１２内に位置決めされた冷却コイル３３４、加熱コイル３３６、およびファン３３８を含むものとして示されている。ファン３３８は、給気３１０を冷却コイル３３４および／または加熱コイル３３６に通し、さらに給気３１０をビルディング区域３０６に提供するように構成され得る。ＡＨＵ制御装置３３０は、通信リンク３４０を介してファン３３８と通信して、給気３１０の流量を制御し得る。いくつかの実施形態では、ＡＨＵ制御装置３３０は、ファン３３８の速度を調整することによって、給気３１０に加えられる加熱または冷却の量を制御する。

冷却コイル３３４は、冷却された流体を、配管３４２を通してウォーターサイドシステム２００から（例えば冷水ループ２１６から）受け取ることができ、また、冷却された流体を、配管３４４を通してウォーターサイドシステム２００に戻すことができる。冷却コイル３３４を通る冷却流体の流量を制御するために、配管３４２または配管３４４に沿って弁３４６が位置決めされ得る。いくつかの実施形態では、冷却コイル３３４は、給気３１０に加えられる冷却量を調整するために、（例えばＡＨＵ制御装置３３０やＢＭＳ制御装置３６６などによって）独立して作動および作動停止され得る複数ステージの冷却コイルを含む。

加熱コイル３３６は、加熱された流体を、配管３４８を通してウォーターサイドシステム２００から（例えば温水ループ２１４から）受け取ることができ、また、加熱された流体を、配管３５０を通してウォーターサイドシステム２００に戻すことができる。加熱コイル３３６を通る加熱流体の流量を制御するために、配管３４８または配管３５０に沿って弁３５２が位置決めされ得る。いくつかの実施形態では、加熱コイル３３６は、給気３１０に加えられる加熱量を調整するために、（例えばＡＨＵ制御装置３３０やＢＭＳ制御装置３６６などによって）独立して作動および作動停止され得る複数ステージの加熱コイルを含む。

弁３４６および３５２はそれぞれ、アクチュエータによって制御され得る。例えば、弁３４６はアクチュエータ３５４によって制御されてもよく、弁３５２はアクチュエータ３５６によって制御されてもよい。アクチュエータ３５４〜３５６は、通信リンク３５８〜３６０を介してＡＨＵ制御装置３３０と通信し得る。アクチュエータ３５４〜３５６は、ＡＨＵ制御装置３３０から制御信号を受信することができ、制御装置３３０にフィードバック信号を提供し得る。いくつかの実施形態では、ＡＨＵ制御装置３３０は、給気ダクト３１２内（例えば冷却コイル３３４および／または加熱コイル３３６の下流）に位置決めされた温度センサ３６２から給気温度の測定値を受信する。また、ＡＨＵ制御装置３３０は、ビルディング区域３０６内に位置する温度センサ３６４からビルディング区域３０６の温度の測定値を受信することもある。

いくつかの実施形態では、ＡＨＵ制御装置３３０は、アクチュエータ３５４〜３５６によって弁３４６および３５２を操作して、（例えば給気３１０の設定値温度を実現するため、または設定値温度範囲内で給気３１０の温度を維持するために）給気３１０に提供される加熱または冷却の量を調整する。弁３４６および３５２の位置は、冷却コイル３３４または加熱コイル３３６によって給気３１０に提供される加熱または冷却の量に影響を及ぼし、所望の給気温度を実現するために消費されるエネルギーの量と相関し得る。ＡＨＵ３３０は、コイル３３４〜３３６を作動もしくは作動停止させること、ファン３３８の速度を調節すること、またはそれら両方の組合せによって、給気３１０および／またはビルディング区域３０６の温度を制御し得る。

引き続き図３を参照すると、エアサイドシステム３００は、ビルディング管理システム（ＢＭＳ）制御装置３６６およびクライアントデバイス３６８を含むものとして示されている。ＢＭＳ制御装置３６６は、システムレベル制御装置として働く一以上のコンピュータシステム（例えばサーバ、監視制御装置、サブシステム制御装置など）、アプリケーションもしくはデータサーバ、ヘッドノード、または、エアサイドシステム３００用のマスタ制御装置、ウォーターサイドシステム２００、ＨＶＡＣシステム１００、および／またはビルディング１０にサービス提供する他の制御可能なシステムを含み得る。ＢＭＳ制御装置３６６は、複数の下流のビルディングシステムまたはサブシステム（例えばＨＶＡＣシステム１００、セキュリティシステム、照明システム、ウォーターサイドシステム２００など）と、同様のまたは異なるプロトコル（例えばＬＯＮやＢＡＣｎｅｔなど）に従って通信リンク３７０を介して通信し得る。様々な実施形態において、ＡＨＵ制御装置３３０とＢＭＳ制御装置３６６は、（図３に示されるように）別々であっても、一体化されていてもよい。一体化された実装では、ＡＨＵ制御装置３３０は、ＢＭＳ制御装置３６６のプロセッサによって実行されるように構成されたソフトウェアモジュールであってもよい。

いくつかの実施形態では、ＡＨＵ制御装置３３０は、ＢＭＳ制御装置３６６から情報（例えばコマンド、設定値、動作境界など）を受信し、ＢＭＳ制御装置３６６に情報（例えば温度測定値、弁またはアクチュエータ位置、動作ステータス、診断など）を提供する。例えば、ＡＨＵ制御装置３３０は、温度センサ３６２〜３６４からの温度測定値、機器のオン／オフ状態、機器の動作能力、および／または任意の他の情報をＢＭＳ制御装置３６６に提供することができ、これらの情報をＢＭＳ制御装置３６６が使用して、ビルディング区域３０６内の変動する状態または条件を監視または制御することができる。

クライアントデバイス３６８は、ＨＶＡＣシステム１００、そのサブシステム、および／またはデバイスを制御、閲覧、または他の形でそれらと対話するための一以上の人間−機械インタフェースまたはクライアントインタフェース（例えば、グラフィカルユーザインタフェース、報告インタフェース、テキストベースのコンピュータインタフェース、クライアントフェーシングウェブサービス、ウェブクライアントにページを提供するウェブサーバなど）を含み得る。クライアントデバイス３６８は、コンピュータワークステーション、クライアント端末、遠隔もしくはローカルインタフェース、または任意の他のタイプのユーザインタフェースデバイスであってもよい。クライアントデバイス３６８は、固定端末でもモバイルデバイスでもよい。例えば、クライアントデバイス３６８は、デスクトップコンピュータ、ユーザインタフェースを備えるコンピュータサーバ、ラップトップコンピュータ、タブレット、スマートフォン、ＰＤＡ、または任意の他のタイプのモバイルデバイスもしくは非モバイルデバイスであってもよい。クライアントデバイス３６８は、通信リンク３７２を介してＢＭＳ制御装置３６６および／またはＡＨＵ制御装置３３０と通信し得る。

ビルディング管理システム

ここで図４を参照すると、いくつかの実施形態によるビルディング管理システム（ＢＭＳ）４００のブロック図が示されている。ＢＭＳ４００は、様々なビルディング機能を自動的に監視および制御するためにビルディング１０に実装され得る。ＢＭＳ４００は、ＢＭＳ制御装置３６６および複数のビルディングサブシステム４２８を含むものとして示されている。ビルディングサブシステム４２８は、ビルディング電気サブシステム４３４、情報通信技術（ＩＣＴ）サブシステム４３６、セキュリティサブシステム４３８、ＨＶＡＣサブシステム４４０、照明サブシステム４４２、エレベータ／エスカレータサブシステム４３２、および火災安全サブシステム４３０を含むものとして示されている。様々な実施形態において、ビルディングサブシステム４２８は、より少数の、追加の、または代替のサブシステムを含むことができる。例えば、追加または代替として、ビルディングサブシステム４２８は、冷蔵サブシステム、広告もしくは標識サブシステム、調理サブシステム、販売サブシステム、プリンタもしくはコピーサービスサブシステム、または、ビルディング１０を監視もしくは制御するために制御可能な機器および／またはセンサを使用する任意の他のタイプのビルディングサブシステムを含み得る。いくつかの実施形態では、ビルディングサブシステム４２８は、図２〜３を参照して述べたように、ウォーターサイドシステム２００および／またはエアサイドシステム３００を含む。

各ビルディングサブシステム４２８は、その個々の機能および制御活動を完遂するための多数のデバイス、制御装置、および接続を含み得る。ＨＶＡＣサブシステム４４０は、図１〜３を参照して述べたようなＨＶＡＣシステム１００と同じ構成要素の多くを含み得る。例えば、ＨＶＡＣサブシステム４４０は、冷却器、ボイラ、多数のエアハンドリングユニット、エコノマイザ、フィールド制御装置、監視制御装置、アクチュエータ、温度センサ、および、ビルディング１０内の温度、湿度、気流、または他の可変条件を制御するための他のデバイスを含み得る。照明サブシステム４４２は、多数の照明器具、安定器、照明センサ、調光器、または、ビルディング空間に提供される光の量を制御可能に調節するように構成された他のデバイスを含み得る。セキュリティサブシステム４３８は、人感センサ、ビデオ監視カメラ、デジタルビデオレコーダ、ビデオ処理サーバ、侵入検出デバイス、アクセス制御デバイスおよびサーバ、または他のセキュリティ関連デバイスを含み得る。

引き続き図４を参照すると、ＢＭＳ制御装置３６６は、通信インタフェース４０７およびＢＭＳインタフェース４０９を含むものとして示されている。インタフェース４０７は、ＢＭＳ制御装置３６６と外部アプリケーション（例えば監視および報告アプリケーション４２２、企業管理アプリケーション４２６、遠隔システムおよびアプリケーション４４４、クライアントデバイス４４８に常駐するアプリケーションなど）との間の通信を容易にして、ＢＭＳ制御装置３６６および／またはサブシステム４２８に対するユーザ制御、監視、および調節を可能にし得る。また、インタフェース４０７は、ＢＭＳ制御装置３６６とクライアントデバイス４４８との間の通信を容易にし得る。ＢＭＳインタフェース４０９は、ＢＭＳ制御装置３６６とビルディングサブシステム４２８（例えばＨＶＡＣ、照明セキュリティ、エレベータ、配電、ビジネスなど）との間の通信を容易にし得る。

インタフェース４０７、４０９は、ビルディングサブシステム４２８または他の外部システムもしくはデバイスとのデータ通信を行うための有線もしくは無線通信インタフェース（例えばジャック、アンテナ、送信機、受信機、送受信機、有線端末など）でもよく、またはこれらを含むことができる。様々な実施形態において、インタフェース４０７、４０９を介する通信は、直接的なもの（例えばローカル有線または無線通信）でも、通信ネットワーク４４６（例えばＷＡＮ、インターネット、セルラネットワークなど）を介するものでもよい。例えば、インタフェース４０７、４０９は、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）ベースの通信リンクまたはネットワークを介してデータを送受信するためのＥｔｈｅｒｎｅｔカードおよびポートを含むことができる。別の例では、インタフェース４０７、４０９は、無線通信ネットワークを介して通信するためのＷｉ−Ｆｉ送受信機を含むことができる。別の例では、インタフェース４０７、４０９の一方または両方は、セルラまたは携帯電話通信送受信機を含み得る。一実施形態では、通信インタフェース４０７は電力線通信インタフェースであり、ＢＭＳインタフェース４０９はＥｔｈｅｒｎｅｔインタフェースである。他の実施形態では、通信インタフェース４０７とＢＭＳインタフェース４０９がどちらもＥｔｈｅｒｎｅｔインタフェースであるか、または同一のＥｔｈｅｒｎｅｔインタフェースである。

引き続き図４を参照すると、ＢＭＳ制御装置３６６は、プロセッサ４０６およびメモリ４０８を含む処理回路４０４を含むものとして示されている。処理回路４０４は、処理回路４０４およびその様々な構成要素がインタフェース４０７、４０９を介してデータを送受信できるように、ＢＭＳインタフェース４０９および／または通信インタフェース４０７に通信可能に接続され得る。プロセッサ４０６は、汎用プロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、１つもしくは複数のフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、１群の処理コンポーネント、または他の適切な電子処理コンポーネントとして実装することができる。

メモリ４０８（例えばメモリ、メモリユニット、記憶デバイスなど）は、本願で述べる様々なプロセス、層、およびモジュールを完遂または容易化するためのデータおよび／またはコンピュータコードを記憶するための一以上のデバイス（例えばＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ハードディスク記憶装置など）を含み得る。メモリ４０８は、揮発性メモリもしくは不揮発性メモリでもよく、またはこれらを含んでいてもよい。メモリ４０８は、データベースコンポーネント、オブジェクトコードコンポーネント、スクリプトコンポーネント、または、本願で述べる様々な活動および情報構造をサポートするための任意の他のタイプの情報構造を含み得る。いくつかの実施形態によれば、メモリ４０８は、処理回路４０４を介してプロセッサ４０６に通信可能に接続され、（例えば処理回路４０４および／またはプロセッサ４０６によって）本明細書で述べる一以上のプロセスを実行するためのコンピュータコードを含む。

いくつかの実施形態では、ＢＭＳ制御装置３６６は、単一のコンピュータ（例えば１つのサーバや１つのハウジングなど）内に実装される。様々な他の実施形態では、ＢＭＳ制御装置３６６は、（例えば分散された場所に存在することができる）複数のサーバまたはコンピュータにわたって分散されることもある。さらに、図４は、ＢＭＳ制御装置３６６の外部に存在するものとしてアプリケーション４２２および４２６を示しているが、いくつかの実施形態では、アプリケーション４２２および４２６は、ＢＭＳ制御装置３６６内（例えばメモリ４０８内）でホストされることもある。

引き続き図４を参照すると、メモリ４０８は、企業統合層４１０、自動測定および検証（ＡＭ＆Ｖ）層４１２、要求応答（ＤＲ）層４１４、故障検出および診断（ＦＤＤ）層４１６、統合制御層４１８、ならびにビルディングサブシステム統合層４２０を含むものとして示されている。層４１０〜４２０は、ビルディングサブシステム４２８および他のデータ源から入力を受信し、入力に基づいてビルディングサブシステム４２８のための最適な制御アクションを決定し、最適な制御アクションに基づいて制御信号を生成し、生成された制御信号をビルディングサブシステム４２８に提供するように構成され得る。以下の段落では、ＢＭＳ４００での各層４１０〜４２０によって実施される全般的な機能のいくつかを述べる。

企業統合層４１０は、様々な企業レベルのアプリケーションをサポートするための情報およびサービスをクライアントまたはローカルアプリケーションに提供するように構成され得る。例えば、企業管理アプリケーション４２６は、グラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）または多数の企業レベルのビジネスアプリケーション（例えば会計システムやユーザ識別システムなど）にサブシステムスパニング制御を提供するように構成され得る。企業管理アプリケーション４２６は、追加または代替として、ＢＭＳ制御装置３６６を構成するための構成ＧＵＩを提供するように構成されることもある。さらに他の実施形態では、企業管理アプリケーション４２６は、層４１０〜４２０と協働して、インタフェース４０７および／またはＢＭＳインタフェース４０９で受信された入力に基づいてビルディングパフォーマンス（例えば効率、エネルギー使用量、快適性、または安全性）を最適化することができる。

ビルディングサブシステム統合層４２０は、ＢＭＳ制御装置３６６とビルディングサブシステム４２８との間の通信を管理するように構成され得る。例えば、ビルディングサブシステム統合層４２０は、ビルディングサブシステム４２８からセンサデータおよび入力信号を受信し、ビルディングサブシステム４２８に出力データおよび制御信号を提供し得る。ビルディングサブシステム統合層４２０は、ビルディングサブシステム４２８間の通信を管理するように構成されることもある。ビルディングサブシステム統合層４２０は、複数のマルチベンダ／マルチプロトコルシステムにわたって通信（例えばセンサデータ、入力信号、出力信号など）を変換する。

要求応答層４１４は、ビルディング１０の要求が満たされたことに応答して、資源使用量（例えば電気使用量、天然ガス使用量、水使用量など）および／またはそのような資源使用量の金銭的コストを最適化するように構成され得る。最適化は、時間帯別の価格、削減信号、エネルギー利用可能性、または、公益事業者、分散型エネルギー生成システム４２４、エネルギー貯蔵装置４２７（例えば高温ＴＥＳ２４２や低温ＴＥＳ２４４など）、もしくは他の提供源から受信される他のデータに基づき得る。要求応答層４１４は、ＢＭＳ制御装置３６６の他の層（例えばビルディングサブシステム統合層４２０や統合制御層４１８など）からの入力を受信することもある。他の層から受信される入力は、温度、二酸化炭素レベル、相対湿度レベル、空気質センサ出力、人感センサ出力、部屋スケジュールなどの環境入力またはセンサ入力を含み得る。また、入力は、公益事業からの電気使用量（例えば単位ｋＷｈで表される）、熱負荷測定値、価格情報、予測価格、平滑化価格、削減信号などの入力を含むこともある。

いくつかの実施形態によれば、要求応答層４１４は、受信したデータおよび信号に応答するための制御論理を含む。これらの応答は、統合制御層４１８内の制御アルゴリズムと通信すること、制御戦略を変更すること、設定値を変更すること、または制御下でビルディング機器もしくはサブシステムを作動／作動停止することを含むことができる。また、要求応答層４１４は、貯蔵されているエネルギーを利用すべき時を決定するように構成された制御論理を含むこともある。例えば、要求応答層４１４は、ピーク使用時間の開始直前にエネルギー貯蔵装置４２７からのエネルギーの使用を開始することを決定し得る。

いくつかの実施形態では、要求応答層４１４は、要求（例えば価格、削減信号、要求レベルなど）を表す一以上の入力に基づいて、または要求に基づいて、エネルギーコストを最小にする（例えば自動的に設定値を変更する）制御アクションを能動的に開始するように構成された制御モジュールを含む。いくつかの実施形態では、要求応答層４１４は、機器モデルを使用して、最適な１組の制御アクションを決定する。機器モデルは、例えば、ビルディング機器の様々な組によって行われる入力、出力、および／または機能を記述する熱力学的モデルを含み得る。機器モデルは、ビルディング機器（例えばサブプラントや冷却器アレイなど）または個々のデバイス（例えば個々の冷却器、加熱器、ポンプなど）の集合体を表し得る。

さらに、要求応答層４１４は、一以上の要求応答ポリシー定義（例えばデータベースやＸＭＬファイルなど）を含む、または利用し得る。ポリシー定義は、（例えばグラフィカルユーザインタフェースを介して）ユーザによって編集または調節することができ、それにより、要求入力に応答して開始される制御アクションは、ユーザの用途に合わせて、所望の快適性レベルに合わせて、特定のビルディング機器に合わせて、または他の事項に基づいて調整され得る。例えば、要求応答ポリシー定義は、特定の要求入力に応答してどの機器がオンまたはオフにされ得るか、システムまたは機器をどれほど長くオフにすべきか、どの設定値を変更できるか、許容できる設定値調節範囲はどの程度か、通常通り予定された設定値に戻るまでに高い要求設定値をどれほど長く保つか、能力の限界にどれほど近付くか、どの機器モードを利用するか、エネルギー貯蔵デバイス（例えば熱貯蔵タンクやバッテリバンクなど）の内外へのエネルギー伝達速度（例えば最高速度、アラーム速度、他の速度限度情報など）、および（例えば燃料電池や電動発電機セットなどを介して）現場でのエネルギー発生を送出する時を指定することができる。

統合制御層４１８は、ビルディングサブシステム統合層４２０および／または要求応答層４１４のデータ入力または出力を使用して制御決定を行うように構成され得る。ビルディングサブシステム統合層４２０によって実現されるサブシステムの統合により、統合制御層４１８は、サブシステム４２８の制御活動を統合することができ、それにより、サブシステム４２８が単一の統合型スーパーシステムとして挙動する。いくつかの実施形態では、統合制御層４１８は、複数のビルディングサブシステムからの入力および出力を使用する制御論理を含み、個々のサブシステムが単独で提供することができる快適性およびエネルギー節約よりも大きな快適性およびエネルギー節約を提供する。例えば、統合制御層４１８は、第１のサブシステムからの入力を使用して、第２のサブシステムに関するエネルギー節約制御決定を行うように構成され得る。これらの決定の結果は、ビルディングサブシステム統合層４２０に通信し返すことができる。

統合制御層４１８は、論理的に要求応答層４１４の下位にあるものとして示されている。統合制御層４１８は、ビルディングサブシステム４２８およびそれらそれぞれの制御ループを要求応答層４１４と共同で制御できるようにすることによって、要求応答層４１４の有効性を高めるように構成され得る。この構成は、有利には、従来のシステムに比べて、破壊的な要求応答挙動を減少し得る。例えば、統合制御層４１８は、冷却される水の温度の設定値（または温度に直接もしくは間接的に影響を及ぼす別の成分）に対する要求応答に基づく上方修正が、ファンエネルギー（または空間を冷却するために使用される他のエネルギー）の増加をもたらさないことを保証するように構成され得る。そのようなファンエネルギーの増加は、ビルディング総エネルギー使用量を、冷却器で保存されているエネルギーよりも大きくしてしまう。

統合制御層４１８は、要求応答層４１４にフィードバックを提供するように構成されてもよく、それにより、要求応答層４１４は、要求された部分的送電停止が行われている間であっても制約（例えば温度や照明レベルなど）が適切に維持されていることをチェックする。制約には、安全性、機器動作限界およびパフォーマンス、快適性、火災コード、電気コード、エネルギーコードなどに関係する設定値または検知境界が含まれることもある。また、統合制御層４１８は、論理的に、故障検出および診断層４１６、ならびに自動測定および検証層４１２の下位にある。統合制御層４１８は、複数のビルディングサブシステムからの出力に基づいて、計算された入力（例えば集約）をこれらのより高いレベルの層に提供するように構成され得る。

自動測定および検証（ＡＭ＆Ｖ）層４１２は、（例えばＡＭ＆Ｖ層４１２、統合制御層４１８、ビルディングサブシステム統合層４２０、ＦＤＤ層４１６、または他の層によって集約されたデータを使用して）統合制御層４１８または要求応答層４１４によって指令された制御戦略が適切に機能していることを検証するように構成され得る。ＡＭ＆Ｖ層４１２によって行われる計算は、個々のＢＭＳデバイスまたはサブシステムに関するビルディングシステムエネルギーモデルおよび／または機器モデルに基づき得る。例えば、ＡＭ＆Ｖ層４１２は、モデルに基づいて予測された出力をビルディングサブシステム４２８からの実際の出力と比較して、モデルの精度を決定し得る。

故障検出および診断（ＦＤＤ）層４１６は、ビルディングサブシステム４２８およびビルディングサブシステムデバイス（すなわちビルディング機器）に関する継続的な故障検出機能を提供し、要求応答層４１４および統合制御層４１８によって使用されるアルゴリズムを制御するように構成され得る。ＦＤＤ層４１６は、統合制御層４１８から、直接的に１つもしくは複数のビルディングサブシステムもしくはデバイスから、または別のデータ源から、データ入力を受信し得る。ＦＤＤ層４１６は、検出された故障を自動的に診断して応答し得る。検出または診断された故障に対する応答は、ユーザ、メンテナンススケジューリングシステム、または故障を修理するもしくは故障に対処することを試みるように構成された制御アルゴリズムに警報メッセージを提供することを含み得る。

ＦＤＤ層４１６は、ビルディングサブシステム統合層４２０で利用可能な詳細なサブシステム入力を使用して、故障している構成要素または故障の原因（例えば緩いダンパ連係）の具体的な識別を出力するように構成され得る。他の例示的実施形態では、ＦＤＤ層４１６は、「故障」イベントを統合制御層４１８に提供するように構成され、統合制御層４１８は、受信された故障イベントに応答して制御戦略およびポリシーを実行する。いくつかの実施形態によれば、ＦＤＤ層４１６（または統合制御エンジンもしくはビジネスルールエンジンによって実行されるポリシー）は、システムをシャットダウンして、または故障しているデバイスもしくはシステムの周囲での制御活動を指示して、エネルギー浪費を減少させ、機器寿命を延ばし、または適切な制御応答を保証し得る。

ＦＤＤ層４１６は、様々な異なるシステムデータストア（またはライブデータに関するデータポイント）を記憶する、またはそこにアクセスするように構成され得る。ＦＤＤ層４１６は、データストアのうち、あるコンテンツを、機器レベル（例えば特定の冷却器、特定のＡＨＵ、特定の端末ユニットなど）での故障を識別するために使用し、他のコンテンツを、構成要素またはサブシステムレベルでの故障を識別するために使用し得る。例えば、ビルディングサブシステム４２８は、ＢＭＳ４００およびその様々な構成要素のパフォーマンスを示す時間的（すなわち時系列）データを生成し得る。ビルディングサブシステム４２８によって生成されるデータは、測定値または計算値を含むことがあり、それらの測定値または計算値は、統計的特性を示し、対応するシステムまたはプロセス（例えば温度制御プロセスや流量制御プロセスなど）がその設定値からの誤差に対してどのように挙動しているかに関する情報を提供する。これらのプロセスは、ＦＤＤ層４１６によって検査することができ、システムのパフォーマンスが低下し始めた時を明らかにし、より深刻になる前に故障を修理するようにユーザに警報する。

次に図５を参照し、一部の実施形態による、別のビルディング管理システム（ＢＭＳ）５００のブロック図が示されている。ＢＭＳ５００は、ＨＶＡＣシステム１００、ウォーターサイドシステム２００、エアサイドシステム３００、ビルディングサブシステム４２８の装置ならびに他の種類のＢＭＳデバイス（例えば照明機器やセキュリティ機器など）および／またはＨＶＡＣ機器を監視し制御するために使用することができる。

ＢＭＳ５００は、自動機器発見および機器モデル分散を助けるシステムアーキテクチャを提供する。機器発見は、複数の異なる通信バス（例えばシステムバス５５４、区域バス５５６〜５６０および５６４、センサ／アクチュエータバス５６６など）にわたってＢＭＳ５００の複数のレベル上で、および複数の異なる通信プロトコルにわたって行われ得る。一部の実施形態では、各通信バスに接続される装置にステータス情報を与えるアクティブノードテーブルを使用して機器発見が実現される。例えば各通信バスは、新たなノードに関する対応するアクティブノードテーブルを監視することによって新たな装置がないかどうかを監視され得る。新たな装置が検出されると、ＢＭＳ５００はユーザ対話なしにその新たな装置と対話（例えば制御信号の送信や装置からのデータの使用）を開始することができる。

ＢＭＳ５００内の一部の装置は、機器モデルを使用して自らをネットワークに提示する。機器モデルは、機器のオブジェクト属性、ビュー定義、スケジュール、傾向、および他のシステムとの統合に使用される関連するＢＡＣｎｅｔ値オブジェクト（例えばアナログ値、バイナリ値、多状態値など）を定める。ＢＭＳ５００内の一部の装置は自らの機器モデルを記憶する。ＢＭＳ５００内の他の装置は機器モデルを外部に（例えば他の装置内に）記憶する。例えば区域コーディネータ５０８は、バイパスダンパ５２８用の機器モデルを記憶することができる。一部の実施形態では、区域コーディネータ５０８が、バイパスダンパ５２８または区域バス５５８上の他の装置用の機器モデルを自動で作成する。自らの区域バスに接続される装置用の機器モデルを他の区域コーディネータも作成することができる。装置の機器モデルは、区域バス上で装置によって明らかにされるデータポイントの種類、装置の種類、および／または他の装置属性に基づいて自動で作成され得る。自動機器発見および機器モデル分散の幾つかの例を以下でより詳細に解説する。

引き続き図５を参照し、ＢＭＳ５００は、システムマネージャ５０２、幾つかの区域コーディネータ５０６、５０８、５１０、および５１８、ならびに幾つかの区域制御装置５２４、５３０、５３２、５３６、５４８、および５５０を含んで図示されている。システムマネージャ５０２は、ＢＭＳ５００内のデータポイントを監視し、様々な監視および／または制御アプリケーションに監視した変数を報告することができる。システムマネージャ５０２は、データ通信リンク５７４（例えばＢＡＣｎｅｔ ＩＰ、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ、有線通信、無線通信など）を介してクライアントデバイス５０４（例えばユーザデバイス、デスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ、モバイルデバイスなど）と通信することができる。システムマネージャ５０２は、データ通信リンク５７４を介してクライアントデバイス５０４にユーザインタフェースを提供し得る。ユーザインタフェースは、ユーザがクライアントデバイス５０４によってＢＭＳ５００を監視しかつ／または制御することを可能にし得る。

一部の実施形態では、システムマネージャ５０２が、システムバス５５４を介して区域コーディネータ５０６〜５１０および５１８に接続される。システムマネージャ５０２は、マスタ／スレーブトークンパッシング（ＭＳＴＰ）プロトコルや他の任意の通信プロトコルを使用し、システムバス５５４を介して区域コーディネータ５０６〜５１０および５１８と通信するように構成され得る。システムバス５５４は、システムマネージャ５０２を一定体積（ＣＶ）屋上ユニット（ＲＴＵ）５１２、入力／出力モジュール（ＩＯＭ）５１４、サーモスタット制御装置５１６（例えばＴＥＣ５０００シリーズのサーモスタット制御装置）、およびネットワーク自動化エンジン（ＮＡＥ）またはサードパーティ制御装置５２０と接続することもできる。ＲＴＵ５１２は、システムマネージャ５０２と直接通信するように構成することができ、システムバス５５４に直接接続することができる。中間装置を介して他のＲＴＵがシステムマネージャ５０２と通信し得る。例えば有線入力５６２が、システムバス５５４に接続するサーモスタット制御装置５１６にサードパーティＲＴＵ５４２を接続することができる。

システムマネージャ５０２は、機器モデルを含む任意の装置にユーザインタフェースを提供し得る。区域コーディネータ５０６〜５１０および５１８やサーモスタット制御装置５１６などの装置は、システムバス５５４を介して自らの機器モデルをシステムマネージャ５０２に与えることができる。一部の実施形態では、システムマネージャ５０２が、機器モデルを含まない接続装置（例えばＩＯＭ５１４やサードパーティ制御装置５２０など）用の機器モデルを自動で作成する。例えばシステムマネージャ５０２は、装置ツリー要求に応答する任意の装置用の機器モデルを作成し得る。システムマネージャ５０２が作成する機器モデルはシステムマネージャ５０２内に記憶され得る。次いでシステムマネージャ５０２は、システムマネージャ５０２が作成した機器モデルを使用し、自らの機器モデルを含まない装置にユーザインタフェースを提供し得る。一部の実施形態では、システムマネージャ５０２がシステムバス５５４を介して接続される各種の機器のビュー定義を記憶し、機器のためのユーザインタフェースを生成するために記憶済みのビュー定義を使用する。

各区域コーディネータ５０６〜５１０および５１８は、区域バス５５６、５５８、５６０、および５６４を介して区域制御装置５２４、５３０〜５３２、５３６、および５４８〜５５０の一以上と接続され得る。区域コーディネータ５０６〜５１０および５１８は、ＭＳＴＰプロトコルや他の任意の通信プロトコルを使用し、区域バス５５６〜５６０および５６４を介して区域制御装置５２４、５３０〜５３２、５３６、および５４８〜５５０と通信し得る。区域バス５５６〜５６０および５６４は、区域コーディネータ５０６〜５１０および５１８を可変空気体積（ＶＡＶ）ＲＴＵ５２２および５４０、切替バイパス（ＣＯＢＰ）ＲＴＵ５２６および５５２、バイパスダンパ５２８および５４６、ＰＥＡＫ制御装置５３４および５４４などの他の種類の装置と接続することもできる。

区域コーディネータ５０６〜５１０および５１８は、様々な区域化システムを監視しそれらに指令を出すように構成され得る。一部の実施形態では、各区域コーディネータ５０６〜５１０および５１８が別々の区域化システムを監視しそれらに指令を出し、別々の区域バスを介して区域化システムに接続される。例えば区域コーディネータ５０６は、区域バス５５６を介してＶＡＶ ＲＴＵ５２２および区域制御装置５２４に接続され得る。区域コーディネータ５０８は、区域バス５５８を介してＣＯＢＰ ＲＴＵ５２６、バイパスダンパ５２８、ＣＯＢＰ区域制御装置５３０、およびＶＡＶ区域制御装置５３２に接続され得る。区域コーディネータ５１０は、区域バス５６０を介してＰＥＡＫ制御装置５３４およびＶＡＶ区域制御装置５３６に接続され得る。区域コーディネータ５１８は、区域バス５６４を介してＰＥＡＫ制御装置５４４、バイパスダンパ５４６、ＣＯＢＰ区域制御装置５４８、およびＶＡＶ区域制御装置５５０に接続され得る。

複数の異なる種類の区域化システム（例えばＶＡＶ区域化システムやＣＯＢＰ区域化システムなど）を扱うように、区域コーディネータ５０６〜５１０および５１８の単一のモデルを構成することができる。各区域化システムは、ＲＴＵ、一以上の区域制御装置、および／またはバイパスダンパを含み得る。例えば区域コーディネータ５０６および５１０は、ＶＡＶ ＲＴＵ５２２および５４０にそれぞれ接続されるＶｅｒａｓｙｓ ＶＡＶエンジン（ＶＶＥ）として図示されている。区域コーディネータ５０６は区域バス５５６を介してＶＡＶ ＲＴＵ５２２に直接接続されるのに対し、区域コーディネータ５１０は、ＰＥＡＫ制御装置５３４に与えられる有線入力５６８を介してサードパーティＶＡＶ ＲＴＵ５４０に接続される。区域コーディネータ５０８および５１８は、ＣＯＢＰ ＲＴＵ５２６および５５２のそれぞれに接続されるＶｅｒａｓｙｓ ＣＯＢＰエンジン（ＶＣＥ）として図示されている。区域コーディネータ５０８は、区域バス５５８を介してＣＯＢＰ ＲＴＵ５２６に直接接続されるのに対し、区域コーディネータ５１８はＰＥＡＫ制御装置５４４に与えられる有線入力５７０を介してサードパーティＣＯＢＰ ＲＴＵ５５２に接続される。

区域制御装置５２４、５３０〜５３２、５３６、および５４８〜５５０は、センサ／アクチュエータ（ＳＡ）バスを介して個々のＢＭＳデバイス（例えばセンサやアクチュエータなど）と通信することができる。例えばＶＡＶ区域制御装置５３６は、ＳＡバス５６６を介してネットワークセンサ５３８に接続されて図示されている。区域制御装置５３６は、ＭＳＴＰプロトコルや他の任意の通信プロトコルを使用しネットワークセンサ５３８と通信することができる。図５にはＳＡバス５６６を１つしか図示していないが、各区域制御装置５２４、５３０〜５３２、５３６、および５４８〜５５０は異なるＳＡバスに接続され得ることを理解すべきである。各ＳＡバスは、区域制御装置を様々なセンサ（例えば温度センサ、湿度センサ、圧力センサ、光センサ、人感センサなど）、アクチュエータ（例えばダンパアクチュエータや弁アクチュエータなど）、および／または他の種類の制御可能機器（例えば冷却器、加熱器、ファン、ポンプなど）と接続することができる。

各区域制御装置５２４、５３０〜５３２、５３６、および５４８〜５５０は、ビルディングの異なる区域を監視し制御するように構成され得る。区域制御装置５２４、５３０〜５３２、５３６、および５４８〜５５０は、自らのＳＡバスを介して与えられる入出力を使用してビルディングの様々な区域を監視し制御することができる。例えば区域制御装置５３６は、温度制御アルゴリズム内のフィードバックとしてＳＡバス５６６を介してネットワークセンサ５３８から受信される温度入力（例えばビルディングの区域の測定温度）を使用することができる。区域制御装置５２４、５３０〜５３２、５３６、および５４８〜５５０は、様々な種類の制御アルゴリズム（例えば状態ベースアルゴリズム、極値探索制御（ＥＳＣ）アルゴリズム、比例積分（ＰＩ）制御アルゴリズム、比例積分微分（ＰＩＤ）制御アルゴリズム、モデル予測制御（ＭＰＣ）アルゴリズム、フィードバック制御アルゴリズムなど）を使用してビルディング１０内のまたはその周囲の可変状態または条件（例えば温度、湿度、気流、照明など）を制御することができる。

極値探索制御システム

ここで図６を参照すると、一部の実施形態による、周期的ディザ信号を伴う極値探索制御（ＥＳＣ）システム６００のブロック図が示されている。ＥＳＣシステム６００は、極値探索制御装置６０２およびプラント６０４を含んで図示されている。制御理論におけるプラントとは、一のプロセスと一以上の機械的に制御される出力との組合せである。例えばプラント６０４は、一以上の機械的に制御されるアクチュエータおよび／またはダンパによってビルディング空間内の温度を制御するように構成されるエアハンドリングユニットであり得る。様々な実施形態において、プラント６０４は冷却器動作プロセス、ダンパ調節プロセス、機械的な冷却プロセス、換気プロセス、冷蔵プロセス、またはプラント６０４からの出力（即ち性能変数ｙ）に影響を及ぼすためにプラント６０４への入力変数（即ち操作変数ｕ）が調節される他の任意のプロセスを含み得る。

極値探索制御装置６０２は、極値探索制御論理を使用して操作変数ｕを変調する。例えば制御装置６０２は、性能勾配ｐを抽出するために、周期的な（例えば正弦波の）摂動信号またはディザ信号を使用して操作変数ｕの値に摂動を与えることができる。操作変数ｕは、フィードバック制御ループによって決定され得る性能変数ｕのＤＣ値に周期振動を加えることによって摂動を与えられ得る。性能勾配ｐは、操作変数ｕに対する性能変数ｙの勾配または傾斜を表す。制御装置６０２は極値探索制御論理を使用して、性能勾配ｐをゼロに動かす操作変数ｕの値を決定する。

制御装置６０２は、入力インタフェース６１０を介してプラント６０４からフィードバックとして受信される性能変数ｙの測定値または他の標示に基づいて操作変数ｕのＤＣ値を決定することができる。プラント６０４からの測定値は、これだけに限定されないが、プラント６０４の状態に関するセンサからの受信情報やシステム内の他の装置に送信される制御信号を含み得る。一部の実施形態では、性能変数ｙが弁３５４〜３５６の１つの測定位置または観測位置である。他の実施形態では、性能変数ｙが電力消費量、ファン速度、ダンパ位置、温度、またはプラント６０４によって測定されもしくは計算され得る他の任意の変数の測定量または計算量である。性能変数ｙは、極値探索制御装置６０２が極値探索制御技法によって最適化しようとする変数であり得る。性能変数ｙは、プラント６０４によって出力されまたはプラント６０４において（例えばセンサによって）観測され、入力インタフェース６１０において極値探索制御装置に与えられ得る。

入力インタフェース６１０は、性能勾配６１４を検出するために性能勾配プローブ６１２に性能変数ｙを与える。性能勾配６１４は関数ｙ＝ｆ（ｕ）の傾斜を示すことができ、ｙはプラント６０４から受信される性能変数を表し、ｕはプラント６０４に与えられる操作変数を表す。性能勾配６１４がゼロのとき、性能変数ｙは極値（例えば極大または極小）を有する。従って、極値探索制御装置６０２は、性能勾配６１４をゼロに動かすことによって性能変数ｙの値を最適化することができる。

操作変数アップデータ６１６は、性能勾配６１４に基づいて更新済みの操作変数ｕを作り出す。一部の実施形態では、操作変数アップデータ６１６は、性能勾配６１４をゼロに動かすための積分器を含む。次いで操作変数アップデータ６１６は、出力インタフェース６１８を介して更新済みの操作変数ｕをプラント６０４に与える。一部の実施形態では、操作変数ｕが、出力インタフェース６１８を介して制御信号としてダンパ３２４〜３２８（図３）の１つまたはダンパ３２４〜３２８に影響を及ぼすアクチュエータに与えられる。プラント６０４は、操作変数ｕを設定値として使用してダンパ３２４〜３２８の位置を調節し、それにより温度が制御された空間に与えられる外気３１４と還気３０４との相対的比率を制御することができる。

ここで図７を参照すると、いくつかの実施形態による、周期的ディザ信号を伴う別のＥＳＣシステム７００のブロック図が示されている。ＥＳＣシステム７００は、プラント７０４および極値探索制御装置７０２を含んで図示されている。制御装置７０２は、極値探索制御戦略を使用して、プラント７０４から出力として受信される性能変数ｙを最適化する。性能変数ｙを最適化することは、ｙを最小化すること、ｙを最大化すること、設定値を実現するためにｙを制御すること、または性能変数ｙの値を他の方法で調整することを含み得る。

プラント７０４は、図６に関して説明したプラント６０４と同じまたは同様であり得る。例えばプラント７０４は、一のプロセスと一以上の機械的に制御される出力との組合せであり得る。一部の実施形態では、プラント７０４は、一以上の機械的に制御されるアクチュエータおよび／またはダンパによってビルディング空間内の温度を制御するように構成されるエアハンドリングユニットである。他の実施形態では、プラント７０４は冷却器動作プロセス、ダンパ調節プロセス、機械的な冷却プロセス、換気プロセス、または１つもしくは複数の制御入力に基づいて出力を生成する他の任意のプロセスを含み得る。

プラント７０４は、入力ダイナミクス７２２、性能マップ７２４、出力ダイナミクス７２６、および外乱ｄの組合せとして数学的に表すことができる。一部の実施形態では、入力ダイナミクス７２２が線形時不変（ＬＴＩ）入力ダイナミクスであり、出力ダイナミクス７２６がＬＴＩ出力ダイナミクスである。性能マップ７２４は、静的非線形性能マップであり得る。外乱ｄは、プロセス雑音、測定雑音、またはその両方の組合せを含み得る。図７にはプラント７０４の構成要素を示すが、プラント７０４の実際の数学モデルはＥＳＣを適用するために知られていなくてもよいことに留意すべきである。

プラント７０４は、出力インタフェース７３０を介して極値探索制御装置７０２から制御入力ｕ（例えば制御信号や操作変数など）を受信する。入力ダイナミクス７２２は、制御入力に基づいて関数信号ｘを生成するために制御入力ｕを使用することができる（例えばｘ＝ｆ（ｕ））。関数信号ｘは性能マップ７２４に渡すことができ、性能マップ７２４は関数信号に応じて出力信号ｚを生成する（即ちｚ＝ｆ（ｘ））。出力信号ｚは出力ダイナミクス７２６を通過させて信号ｚ’を作り出すことができ、信号ｚ’は要素７２８において外乱ｄによって修正され、性能変数ｙを作り出す（例えばｙ＝ｚ’＋ｄ）。性能変数ｙはプラント７０４からの出力として与えられ、極値探索制御装置７０２において受信される。極値探索制御装置７０２は、性能マップ７２４の出力ｚおよび／または性能変数ｙを最適化するｘおよび／またはｕの値を見つけようとし得る。

引き続き図７を参照し、極値探索制御装置７０２は、入力インタフェース７３２を介して性能変数ｙを受信し、性能変数ｙを制御装置７０２内の制御ループ７０５に与えるように図示されている。制御ループ７０５は、高域フィルタ７０６、復調要素７０８、低域フィルタ７１０、インテグレータフィードバック制御装置７１２、およびディザ信号要素７１４を含んで図示されている。制御ループ７０５は、ディザ−復調技法を使用して性能変数ｙから性能勾配ｐを抽出するように構成され得る。インテグレータフィードバック制御装置７１２は、性能勾配ｐを解析し、プラント入力のＤＣ値（即ち変数ｗ）を調節して性能勾配ｐをゼロに動かす。

ディザ−復調技法の最初のステップは、ディザ信号生成器７１６およびディザ信号要素７１４によって実行される。ディザ信号生成器７１６は、典型的には正弦波信号である周期的ディザ信号ｖを生成する。ディザ信号要素７１４がディザ信号生成器７１６からディザ信号ｖを受信し、制御装置７１２からプラント入力のＤＣ値ｗを受信する。ディザ信号要素７１４は、ディザ信号ｖをプラント入力のＤＣ値ｗと組み合わせて、プラント７０４に与えられる摂動制御入力ｕを生成する（例えばｕ＝ｗ＋ｖ）。摂動制御入力ｕはプラント７０４に与えられ、先に説明したように性能変数ｙを生成するためにプラント７０４によって使用される。

ディザ−復調技法の第２のステップは、高域フィルタ７０６、復調要素７０８、および低域フィルタ７１０によって実行される。高域フィルタ７０６は性能変数ｙをフィルタにかけて、フィルタ済みの出力を復調要素７０８に与える。復調要素７０８は、フィルタ済みの出力を位相変移７１８が適用されたディザ信号ｖと掛けることによって高域フィルタ７０６の出力を復調する。この乗算のＤＣ値は、制御入力ｕに対する性能変数ｙの性能勾配ｐに比例する。復調要素７０８の出力が低域フィルタ７１０に与えられ、低域フィルタ７１０は性能勾配ｐ（即ち復調出力のＤＣ値）を抽出する。次いで性能勾配ｐの推定がインテグレータフィードバック制御装置７１２に与えられ、インテグレータフィードバック制御装置７１２は、プラント入力ｕのＤＣ値ｗを調節することによって性能勾配の推定ｐをゼロに動かす。

引き続き図７を参照し、極値探索制御装置７０２は増幅器７２０を含んで図示されている。ディザ信号ｖの効果がプラント出力ｙ内で明白であるようディザ信号ｖの振幅が十分大きいように、ディザ信号ｖを増幅することが望ましい場合がある。ディザ信号ｖの大きい振幅は、制御入力ｕのＤＣ値ｗが一定のままであるときでも制御入力ｕの大きい変動をもたらし得る。ディザ信号ｖの周期的性質により、プラント入力ｕ内の大きい変動（即ちディザ信号ｖによって引き起こされる振動）がプラントオペレータに気付かれることが多々ある。

加えて、ＥＳＣ戦略が効果的であることを確実にするためにディザ信号ｖの周波数を注意深く選択することが望ましい場合がある。例えば、性能変数ｙに対するディザ信号ｖの効果を向上させるために、プラント６０４の自然周波数ω_ｎに基づいてディザ信号の周波数ω_ｖを選択することが望ましい場合がある。プラント７０４のダイナミクスの知識なしにディザ周波数ω_ｖを適切に選択するのは難解かつ困難であり得る。それらの理由から、周期的なディザ信号ｖを使用することは従来のＥＳＣの欠点の１つである。

ＥＳＣシステム７００では、高域フィルタ７０６の出力は以下の式：
高域フィルタの出力：ｙ−Ｅ［ｙ］
で示すように性能変数ｙの値と性能変数ｙの期待値との差として表すことができ、変数Ｅ［ｙ］は性能変数ｙの期待値である。復調要素７０８によって行われる相互相関の結果（即ち復調要素７０８の出力）は以下の式：
相互相関の結果：（ｙ−Ｅ［ｙ］）（ｖ−Ｅ［ｖ］）
で示すように、高域フィルタの出力と位相変位されたディザ信号との積として表すことができ、変数Ｅ［ｖ］はディザ信号ｖの期待値である。低域フィルタ７１０の出力は以下の式：
低域フィルタの出力：Ｅ［（ｙ−Ｅ［ｙ］）（ｖ−Ｅ［ｕ］）］≡Ｃｏｖ（ｖ，ｙ）
で示すようにディザ信号ｖおよび性能変数ｙの共分散として表すことができ、変数Ｅ［ｕ］は制御入力ｕの期待値である。

先の式は、ＥＳＣシステム７００が、ディザ信号ｖとプラント出力（即ち性能変数ｙ）との間の共分散Ｃｏｖ（ｖ，ｙ）の推定を生成することを示す。共分散Ｃｏｖ（ｖ，ｙ）は、性能勾配ｐのプロキシとしてＥＳＣシステム７００内で使用され得る。例えば共分散Ｃｏｖ（ｖ，ｙ）は、高域フィルタ７０６、復調要素７０８、および低域フィルタ７１０によって計算され、フィードバック入力としてインテグレータフィードバック制御装置７１２に与えられ得る。インテグレータフィードバック制御装置７１２は、フィードバック制御ループの一部として共分散Ｃｏｖ（ｖ，ｙ）を最小化するために、プラント入力ｕのＤＣ値ｗを調節することができる。

制約ハンドリングを伴う極値探索制御システム

ここで図８を参照すると、いくつかの実施形態による、制約ハンドリングを伴うＥＳＣシステム８００が示されている。ＥＳＣシステム８００は、図６の極値探索制御装置６０２のように性能勾配プローブ６１２、操作変数アップデータ６１６、入力インタフェース６１０、および出力インタフェース６１８を含む、極値探索制御装置８０２を含む。しかし、ＥＳＣシステム８００の極値探索制御装置８０２は、プラント６０４の影響を受ける制約付き変数を監視しそれに制約を課すように構成される制約ハンドラ８０４も含む。

プラント６０４は、性能変数ｙおよび制約付き変数ｃのデータを極値探索制御装置８０２の入力インタフェース６１０に供給するように動作可能である。性能変数ｙは、関数ｙ＝ｆ（ｕ）の極値を見つけることによってＥＳＣシステム８００が最適化しようとする変数であり、上記のようにｕはプラント６０４への入力であり、ｆは入力ｕに対するプラント６０４の動的応答を定める関数である。制約付き変数ｃは、プラント６０４によって測定され或いは提供され得るプラント６０４の別の出力である。制約付き変数ｃは、性能変数ｙの最適化に対して制約を与える。例えば、ｙはビルディングの暖房システムの電力消費量であり得るのに対し、ｃはビルディング内の屋内気温であり得る。屋内気温ｃを考慮しないｙの電力消費量の極値探索は、屋内気温ｃを許容レベル未満に低下させる可能性がある。従ってＥＳＣシステム８００は、以下で詳細に説明するようにｙに関する極値探索に対して制約を与えるためにｃを使用する。

制約ハンドラ８０４は、性能変数ｙおよび制約付き変数ｃのデータを入力インタフェース６１０から受信する。制約ハンドラ８０４は、ｙおよびｃを使用して修正済みの費用関数ｙ’を計算する。より具体的には、制約ハンドラ８０４は、
ｙ’＝ｙ（１＋π（ｃ）） 式１
として修正済みの費用関数ｙ’を計算し、ｙ’は修正済みの費用関数であり、ｃは制約を受ける変数であり、π（．）はｃが制約を破る程度に応じて単調増加するペナルティ関数である。

π（ｃ）を計算するために、制約ハンドラ８０４はデッド区域の非線形性ｄ（．）を利用することによって単純な有界制約を実装する。図１０のグラフ１０００にデッド区域関数ｄ（．）を示す。制約付き変数はｃによって横軸１００２上に示し、デッド区域の出力はＤによって縦軸１００４上に示す。ｃ_ｍｉｎおよびｃ_ｍａｘの値は、変数ｃに対する所望の下限および上限に対応する。ｃ_ｍｉｎとｃ_ｍａｘとの間のｃの値において、デッド区域関数ｄ（．）はゼロである。ｃ_ｍｉｎおよびｃ_ｍａｘの値の外では、デッド区域関数ｄ（．）はゼロから離れるように単調傾斜する。

制約ハンドラ８０４はデッド区域関数ｄ（ｃ）の値を計算し、次いで出力ｄ（ｃ）を二乗することによって、または絶対値を取ることによって符号（即ち負方向）を除去する。その後、制約ハンドラ８０４は
π（ｕ）＝αｄ（ｃ）^２ 式２
としてペナルティ関数π（ｃ）を計算し、αは境界において強い制約を強制するために大きい値に、または境界において弱い制約を強制するために小さい値に設定することができるスケーリングパラメータである。

これにより、制約ハンドラ８０４は修正済みの費用関数ｙ’＝ｙ（１＋π（ｃ））を計算する。制約ハンドラ８０４は、修正済みの費用関数ｙ’を性能勾配プローブ６１２に与える。性能勾配プローブ６１２は、図６に関してｙについて上記で説明したのと同じまたは同様のやり方でｙ’を扱う。それにより性能勾配プローブ６１２は性能勾配ｐを生成し、性能勾配ｐは、修正済みの費用関数ｙ’の性能勾配ｐを最小化することに向けてプラント６０４を制御するための更新済みの操作変数ｕを生成するために操作変数アップデータ６１６によって使用される。

ここで図９を参照すると、いくつかの実施形態による、制約ハンドリングを伴う極値探索制御のためのプロセス９００の流れ図が示されている。プロセス９００は、図８の極値探索制御装置８０２によって実行され得る。ステップ９０２で、例えば図６〜図７に関して上記で説明したように、極値探索制御装置８０２が入力信号にディザ信号を加える。ステップ９０４で、この組み合わさった入力をプラント６０４に与えてプラント６０４を制御する。プラント６０４は、性能変数ｙおよび制約付き変数ｃのデータを生成するために制御された通りに動作する。例えば、ｙおよびｃのデータサンプルは所定の間隔で取ることができる。

ステップ９０６で、極値探索制御装置８０２が制約付き変数ｃのデータをプラントから受信する。つまり極値探索制御装置８０２は、特定の時間ステップのｃの値を受信する。ステップ９０８で、極値探索制御装置８０２が制約ペナルティπ（ｃ）＝αｄ（ｃ）^２を計算する。つまり極値探索制御装置８０２は、プラントから受信するデータを使用してｄ（ｃ）の値を決定し、そのｄ（ｃ）の値を二乗し、その結果をスケーリングパラメータαで掛ける。

ステップ９１０で、極値探索制御装置８０２が性能変数ｙのデータをプラント６０４から受信する。つまり極値探索制御装置８０２は、特定の時間ステップのｙの値を受信する。一部の事例では、プラント６０４から受信される複数のデータポイントから性能変数ｙが計算される（例えばｙはプラント６０４の２つの構成要素の組み合わさった電力消費量である）。ステップ９１２で、極値探索制御装置８０２が、性能変数ｙのデータおよびステップ９０８で計算されたπ（ｃ）の値に基づいて修正済みの費用関数ｙ’＝ｙ（１＋π（ｃ））を計算する。

ステップ９１４で、極値探索制御装置８０２が修正済みの費用関数ｙ’に基づいて性能勾配ｐを計算する。従って性能勾配ｐは、制約ペナルティπ（ｃ）の影響を捕える。

ステップ９１６で、極値探索制御装置８０２が、性能勾配ｐを最小化するための更新済み入力信号を生成する。つまり極値探索制御装置８０２は、修正済みの費用関数ｙ’の極値に到達するための更新済み入力信号を生成する。次いでプロセス９００は、入力信号にディザ信号を加えるステップ９０２に戻る。これによりプロセス９００は、修正済みの費用関数ｙ’の極値に到達しそれを維持するためのループとして実行され得る。

ＨＶＡＣシステム内の制約ハンドリングを伴う極値探索制御

上記のペナルティ関数の手法は性質上汎用であり、特定の応用に固有のものではない。しかし、この節ではビルディング内で一般に遭遇する或る特定の問題に本方法をどのように適用するのかについて説明する。ＥＳＣはＨＶＡＣシステム、例えば図１１の屋上ユニット１１００内のエネルギ（または電力）を最小化するためにしばしば使用される。図１１に示すこの一例は、ファンの電力と圧縮器の電力との間の最良のトレードオフを見つけることによって電力を最小化するために、屋上ユニット１１００内の給気温度の設定値を調節することである。従来のＥＳＣアルゴリズムは電力に関して給気温度の最適な設定値を特定するが、このことはルーム制御装置が自らの温度要件または湿度要件を満たせない状況を引き起こし得る。

上記の問題を解決するために、屋上ユニット１１００に通信可能に結合されて図１１に示されている極値探索制御装置８０２は、部屋の温度Ｔ_γおよび相対湿度φ_γの両方に図９の制約ハンドリング法を適用する。ＥＳＣの費用関数は
ｙ’＝ｙ（１＋α_１ｄ_Ｔ（Ｔ_γ）^２２＋α_２ｄ_φ（φ_γ）^２） 式３
のように修正することができ、ｙは圧縮器と蒸発器のファンとの組み合わさった電力であり（この例では凝縮器のファンに関連する電力は考慮しない）（即ちｙ＝Ｐ_圧縮器＋Ｐ_{蒸発器のファン}）、ｄ_Ｔ（．）およびｄ_φ（．）は温度および相対湿度のそれぞれのデッド区域である。これらのデッド区域のそれぞれは制約の狭さを定める上限および下限を有する。一部の実施形態では、給気温度に対するＥＳＣディザの動作によって生じる変数の変動を含むのに十分な程制約が少なくとも広い。実際には、これらの制約境界は手動で定めることができ、または自動で推定することができる。

２つのペナルティ項の効果を図１２〜図１５で見ることができ、これらの図面には給気温度設定値、圧縮器と蒸発器のファンとの組み合わさった電力、室温、および室内空気の相対湿度に関するシミュレーション結果が示されている。図１２のグラフ１２００は、時間に対する給気温度設定値を示す。図１３のグラフ１３００は、時間に対する電力を示す。図１４のグラフ１４００は、時間に対する室温Ｔ_γを示す。図１５のグラフ１５００は、時間に対する相対湿度φ_γを示す。

これらのシミュレーションでは、屋上ユニット１１００によって供給される部屋に一定の冷房負荷をかけた。室温設定値および給気温度設定値は、最初はそれぞれ２３℃と１４℃であった。ｔ＝２０，０００秒から、室温設定値をその値が２２．５℃になるまで線形に減らした。これらの条件下で、屋上ユニット１１００は室温設定値を満たすことができなかった（供給ファンがその最高速度に達したが室温は約２２．９℃だった）。ｔ＝３０，０００秒において極値探索制御装置８０２をオンにした。

最初のシミュレーションでは、ＥＳＣの費用関数が圧縮器と蒸発器のファンとの組み合わさった電力だけを含むように式３のペナルティ項をゼロに設定した。極値探索制御装置８０２をオンにしたとき、極値探索制御装置８０２は給気温度設定値を上げ、それによりファンの電力に影響を及ぼすことなしに（即ちファンの電力は既にその最大値にあったため）、圧縮器の電力を減らすことによって電力を最小化できると判定した。従ってＥＳＣは給気温度設定値を１５℃であるその最大許容値にし、室内温度が約２３．７℃の平均値まで上昇した。室内空気の相対湿度は実質的に変化していない。

第２のシミュレーションでは、α_１＝１およびα_２＝１を用いて式３のペナルティ項を使用した。温度および相対湿度に関するデッド区域の下限および上限は自動で推定され、シミュレーションの全体を通して変化する。図１２は、ペナルティ項が給気温度設定値を約１０．６℃の値まで極値探索制御装置８０２に変えさせることを示す。この動作点において、圧縮器と蒸発器のファンとの組み合わさった電力はペナルティ項なしのときよりも少なく（図１１参照）、室温はその２２．５℃の設定値に到達する。より低い給気温度設定値は、より低い室内空気の相対湿度ももたらす。

例示的実施形態の構成

様々な例示的実施形態に示したようなシステムおよび方法の構成および配置は、例示的なものにすぎない。本開示ではいくつかの実施形態のみを詳細に述べているが、多くの変更が可能である（例えば、様々な要素のサイズ、寸法、構造、形状、および広さ、パラメータの値、取付け配置、材料の使用、色、向きなど）。例えば、要素の位置が逆にされてもよく、または他の形で変更されてもよく、個々の要素の性質もしくは数または位置が変化または変更されてもよい。従って、そのような変更は全て本開示の範囲内に含まれることが意図される。任意のプロセスまたは方法ステップの順序または並びは、代替実施形態に従って変更されかまたは並べ替えられてもよい。本開示の範囲から逸脱することなく、例示的実施形態の設計、動作条件、および配置について、他の置換、修正、変更、および省略が行われてもよい。

本開示は、様々な動作を達成するための方法、システム、および任意の機械可読媒体でのプログラム製品を企図する。本開示の実施形態は、既存のコンピュータプロセッサを使用して実装されても、この目的もしくは別の目的で組み込まれた適切なシステムのための専用コンピュータプロセッサによって実装されても、または有線システムによって実装されてもよい。本開示の範囲内の実施形態は、機械実行可能命令またはデータ構造を担持または記憶するための機械可読媒体を備えるプログラム製品を含む。そのような機械可読媒体は、汎用もしくは専用コンピュータ、またはプロセッサを備える他の機械によってアクセスすることができる任意の利用可能な媒体であってもよい。一例として、そのような機械可読媒体は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、もしくは他の光ディスク記憶装置、磁気ディスク記憶装置もしくは他の磁気記憶デバイス、または任意の他の媒体を含むことができ、そのような媒体は、機械実行可能命令またはデータ構造の形態での所望のプログラムコードを担持または記憶するために使用することができ、さらに、汎用もしくは専用コンピュータ、またはプロセッサを備える他の機械によってアクセスすることができる。上記の媒体の組合せも機械可読媒体の範囲に含まれる。機械実行可能命令は、例えば、汎用コンピュータ、専用コンピュータ、または専用処理機械に特定の機能もしくは機能群を実施させる命令およびデータを含む。

図面は方法ステップの特定の順序を示しているが、ステップの順序は図示されるものとは異なっていてもよい。また、２つ以上のステップが並行して、または一部並行して実施されてもよい。そのような変形形態は、選択されるソフトウェアおよびハードウェアシステム、ならびに設計者の選択に依存する。そのような変形形態は全て本開示の範囲内にある。同様に、ソフトウェア実装は、様々な接続ステップ、処理ステップ、比較ステップ、および決定ステップを達成するために規則ベースの論理および他の論理を備えた標準的なプログラミング技法によって達成することができる。

Claims (20)

1. 極値探索制御システムであって、
   ビルディングの可変の状態または条件に影響を与えるように動作可能なプラントと、
   極値探索制御装置と
   を含み、
   前記極値探索制御装置は、
   前記プラントに制御入力を与え、前記プラントから第１のフィードバックとして性能変数を受信することであって、前記プラントは前記制御入力を使用して前記性能変数に影響を及ぼすことと、
   前記プラントから第２のフィードバックとして制約付き変数を受信することと、
   前記制約付き変数にペナルティ関数を適用することによって性能ペナルティを計算することと、
   前記性能ペナルティにより前記性能変数を修正して修正済み費用関数を生成することと、
   前記制御入力に対する前記修正済み費用関数の勾配を推定することと、
   前記制御入力を変調することによって前記修正済み費用関数の前記勾配をゼロに向けて動かすことと
   を行うように構成される、極値探索制御システム。
2. 前記ペナルティ関数は、前記制約付き変数が所定範囲から逸脱する量に基づいて単調増加する、請求項１の極値探索制御システム。
3. 前記極値探索制御装置はさらに、前記所定範囲を決定するように構成される、請求項２の極値探索制御システム。
4. 前記ペナルティ関数はデッドバンド関数に基づき、
   前記デッドバンド関数は、
   前記制約付き変数が前記制約付き変数の最小値と前記制約付き変数の最大値との間にあるときゼロ値を有し、
   前記制約付き変数が前記最小値を下回るとき線形に減少し、
   前記制約付き変数が前記最大値を上回るとき線形に増加する、請求項１の極値探索制御システム。
5. 前記極値探索制御装置は、
   前記制約付き変数に基づいて前記デッドバンド関数の値を計算してデッドバンド値を生成することと、
   前記デッドバンド値の二乗値または絶対値を計算することと
   によって前記性能ペナルティを計算するように構成される、請求項４の極値探索制御システム。
6. 前記極値探索制御装置はさらに、前記デッドバンド値の前記二乗値または絶対値にスケーリングパラメータを掛けることによって前記性能ペナルティを計算するように構成される、請求項５の極値探索制御システム。
7. 前記極値探索制御装置は、前記性能変数に１と前記性能ペナルティとの和を掛けることによって、前記性能ペナルティにより前記性能変数を修正して前記修正済み費用関数を生成するように構成される、請求項１の極値探索制御システム。
8. 前記極値探索制御装置は、ディザ信号により前記制御入力を増大するように構成される、請求項１の極値探索制御システム。
9. 方法であって、
   ビルディングの可変状態または条件に影響を与えるためにプラントを動作させるステップと、
   前記プラントに制御入力を与え、前記プラントから第１のフィードバックとして性能変数を受信するステップであって、前記プラントは前記制御入力を使用して前記性能変数に影響を及ぼすステップと、
   前記プラントから第２のフィードバックとして制約付き変数を受信するステップと、
   前記制約付き変数にペナルティ関数を適用することによって性能ペナルティを計算するステップと、
   前記性能ペナルティにより前記性能変数を修正して修正済み費用関数を生成するステップと、
   前記制御入力に対する前記修正済み費用関数の勾配を推定するステップと、
   前記制御入力を変調することによって前記修正済み費用関数の前記勾配をゼロに向けて動かすステップと
   を含む、方法。
10. 前記ペナルティ関数は、前記制約付き変数が所定範囲から逸脱する量に基づいて単調増加する、請求項９の方法。
11. 前記所定範囲を自動で決定するステップをさらに含む、請求項１０の方法。
12. 前記ペナルティ関数はデッドバンド関数に基づき、
    前記デッドバンド関数は、
    前記制約付き変数が前記制約付き変数の最小値と前記制約付き変数の最大値との間にあるときゼロ値を有し、
    前記制約付き変数が前記最小値を下回るとき線形に減少し、
    前記制約付き変数が前記最大値を上回るとき線形に増加する、請求項９の方法。
13. 前記性能ペナルティを計算するステップは、
    前記制約付き変数に基づいて前記デッドバンド関数の値を計算することによりデッドバンド値を生成するステップと、
    前記デッドバンド値の二乗値または絶対値を計算するステップと
    を含む、請求項１２の方法。
14. 前記性能ペナルティを計算するステップはさらに、前記デッドバンドの前記二乗値または絶対値にスケーリングパラメータを掛けるステップを含む、請求項１３の方法。
15. 前記性能ペナルティにより前記性能変数を修正して前記修正済み費用関数を生成するステップは、前記性能変数に１と前記性能ペナルティとの和を掛けるステップを含む、請求項９の方法。
16. ディザ信号により前記制御入力を増大するステップをさらに含む、請求項９の方法。
17. 極値探索制御装置であって、
    性能変数および制約付き変数を受信するためにプラントに通信可能に結合される制約ハンドラを含み、
    前記プラントは、前記極値探索制御装置からの制御入力に応答して前記性能変数および前記制約付き変数に影響を及ぼすように動作可能であり、
    前記制約ハンドラは、
    前記制約付き変数にペナルティ関数を適用することによって性能ペナルティを計算することと、
    前記性能ペナルティにより前記性能変数を修正して修正済み費用関数を生成することと、
    前記修正済み費用関数を性能勾配プローブに与えることと
    を行うように構成され、
    前記性能勾配プローブは、前記制御入力に対する前記修正済みの費用関数の勾配を推定し、前記勾配を操作変数アップデータに与えるように構成され、
    前記操作変数アップデータは、前記プラントが前記勾配をゼロに向けて動かすための更新済み制御信号を生成するように構成される、極値探索制御装置。
18. 前記ペナルティ関数は、前記制約付き変数が所定範囲から逸脱する量に基づいて単調増加する、請求項１７の極値探索制御装置。
19. 前記操作変数アップデータは、ディザ信号により前記更新済み制御信号を増大するように構成される、請求項１７の極値探索制御装置。
20. 前記制約ハンドラは、前記性能変数に１と前記性能ペナルティとの和を掛けることによって、前記ペナルティ関数により前記性能変数を修正して修正済み費用関数を生成するように構成される、請求項１７の極値探索制御装置。

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