帶有執行器飽和控制的極值搜索控制的制作方法

專利名稱：帶有執行器飽和控制的極值搜索控制的制作方法
帶有執行器飽和控制的極值搜索控制相關申請的交叉引用本申請要求于2007年7月17日提出的、申請號為60/950，314的美國臨時申請的 權益，并通過引用的方式將其整體并入本文中。本申請通過引用的方式特別地并入以下全 部內容于2007年1月30日提出的、申請號為11/699，859、名稱為“鮮風節能器(air-side economizer)的無傳感器最優控制”的美國專利申請和于2007年1月30日提出的、申請號 為11/699，860、名稱為“自適應實時最優控制”的美國專利申請。
背景技術：
本申請主要涉及極值搜索控制策略。更特別地，本申請涉及為了減少在空氣調節 單元(AHU)內所需要的機械制熱和制冷的量，通過極值搜索控制來調整流過采暖、通風和 空氣調節(HVAC)系統的空氣的量。極值搜索控制(ESC)是一類為了優化某一性能指標，而能夠動態地搜索系統的未 知的和/或時變的輸入的自尋優控制策略。可認為它是通過利用抖動信號進行梯度搜索的 動態實現。與系統輸入相關的該系統的輸出的梯度典型地是通過輕微地擾動該系統的運行 并應用解調手段來獲得的。系統性能的優化可通過利用閉環系統中的積分器將梯度驅動為 0而獲得。ESC為非基于模型(non-model based)的控制策略，意味著用于被控系統的模型 對于ESC來優化系統而言是不必要的。典型的ESC利用閉環結構在其對象的輸入和系統性能之間計算出梯度。然后在該 閉環系統中利用積分器將梯度驅動為0。如果所確定的用于該系統的最佳參考點在算術上 處于用于執行器的運行范圍之外，那么可能發生周知的“積分飽卷(integrator windup)” 有害現象，導致用于執行器的最佳設置對應于運行邊界。當該執行器不能移向由ESC環確 定的最佳設置時，就被認為存在執行器飽和的條件。例如，采用極值搜索控制器的AHU的最 佳能量消耗可能少于0%的風門開度相對應，在自然法則上是不可能的事。當執行器飽和條 件存在時，積分器的輸出將繼續增大，直到輸入到積分器的信號發生改變。

發明內容
本發明涉及優化用于執行器的控制程序的方法。該方法包括利用極值搜索控制策 略來操作所述控制程序。該方法還包括利用電子電路來補償所述極值搜索控制策略的執行 器飽和條件。本發明還涉及用來控制執行器的控制器。該控制器包括被配置來利用極值搜索控 制策略來操作對象的處理電路。該處理電路還被配置來補償該極值搜索控制策略的執行器 飽和條件。本發明還涉及被配置來用于具有溫度調節器和由執行器控制(effected)的風門 的空氣調節單元的控制器。該控制器包括將第一控制信號提供至所述溫度調節器的處理電 路，所述第一控制信號是基于設定值。該處理電路還被配置來向所述執行器提供第二控制 信號，該第二控制信號由極值搜索控制環確定。該處理電路還被配置來調整所述極值搜索控制環以補償執行器飽和條件。


結合附圖，從以下詳細描述中將會更全面地理解本發明，其中相同的參數數據指示相同的元件，其中圖1是根據典型實施例的帶有HVAC系統的建筑物的透視圖；圖2是根據典型實施例的具有AHU的環境控制系統的原理圖；圖3是根據典型實施例的利用極值搜索控制策略的AHU的狀態圖；圖4A是根據典型實施例的被配置來限制執行器飽和條件的影響的極值搜索控制 環的方塊圖；圖4B是根據典型實施例的具有多個測量量、并被配置來限制執行器飽和條件的 影響的極值搜索控制環的方塊圖；圖5A是根據典型實施例的、通過判別其中執行器發生飽和的狀態和其中的執行 器未發生飽和的狀態來限制極值搜索控制環中的執行器飽和條件的影響的程序的流程 圖；圖5B是根據典型實施例的、用來防止和/或限制極值搜索控制環中的執行器飽和 條件的影響的程序的流程圖；圖5C是根據典型實施例的用來防止和/或限制利用來自執行器的反饋的極值搜 索控制環中的執行器飽和條件的影響的程序的流程圖；圖6是根據典型實施例的配置有反饋環來限制執行器飽和條件的影響的濾波極 值搜索控制環的框圖；圖7是根據典型實施例的用來控制AHU的極值搜索控制環的框圖；圖8是根據典型實施例的被配置來限制執行器飽和條件的影響的用于AHU的控制 系統的框圖；圖9是根據典型實施例的圖8中所示的控制器的結構圖；圖10是根據典型實施例的用來限制用于AHU的極值搜索控制環中的執行器飽和 條件的影響的程序的流程圖；圖IlA是根據典型實施例的被配置來限制執行器飽和條件的影響的開關ESC環的 框圖；圖IlB是根據典型實施例的被配置來限制執行器飽和條件的影響的自驅動ESC環 的框圖。
具體實施例方式在轉向詳細闡述典型實施例的附圖之前，應當理解，本申請不局限于說明書中提 出的或者附圖中舉例說明的細節或者方法。還應當理解術語只是為了描述的目的，并不該 被視為限制。一般性地(generally)參考附圖，控制器被配置為利用極值搜索控制策略來控制 對象。極值搜索控制策略被配置來補償執行器飽和條件的影響。圖1是根據典型實施例的帶有HVAC系統的建筑物5的透視圖。如圖例所示，建筑物5具有空氣調節單元(AHU) 10。AHU 10是HVAC系統的一部分，并被用來調節、制冷、采暖 和/或控制建筑物5中的房間12的環境。為了將AHU 10的能量消耗減到最少，用于AHU 10的控制系統通過對進入AHU 10的室外空氣的流通進行優化，利用極值搜索來提供節能 器功能。根據各種其它典型實施例，建筑物5可包含更多的AHU。每個AHU可被分配建筑物 5的受AHU影響(例如調節、使變涼、采暖、通風等等)的區域(例如房間12、一套房間、房間 的一部分、一層、多個層、一層的一部分等等)。通過利用變風量箱(variable air volume boxes)或其它HVAC結構，每個被分配給AHU的區域可進一步被細分。現在參照圖2，根據典型實施例，示出了帶有AHU 430的環境控制系統400的原理 圖。根據典型實施例，環境控制系統400包括工作站402、管理控制器404(例如，網絡控 制引擎(NAE))和利用極值搜索的AHU控制器410。AHU控制器410通過通信線路420耦 接至管理控制器404。工作站402和管理控制器404通過通信總線406連接。通信總線 406可能耦接至額外的部分或者額外的控制器，以及其它的在環境控制系統400中被利用 的部件。環境控制系統400可為像由Johnson Controls公司制造的商標為mexasyS
(METASYS brand)棚魏籠跳棚蛇白勺麵棚列，縫400胃
為具有AHU的單一系統或者另一風門系統(damper system)。在典型實施例中，控制器410起作用地(operatively)與被控制的空氣調節單元 例如AHU 430相關聯。控制器410被配置為作為具有圖3中所描述的3種狀態的有限狀態 機來運行，其中當處于狀態503時AHU 430利用極值搜索邏輯。當規定的條件或者一組條 件發生時，就發生了從一種狀態向另一狀態的轉換，如箭頭所指示的。在典型實施例中，當 控制器410處于給定狀態時，AHU 430的運行數據被檢驗以確定是否存在所定義的轉移條 件。轉移條件是當前狀態的函數，并且還可涉及到具體的時間間隔、溫度狀況、送入的空氣 狀況和/或回流的空氣狀況。在典型實施例中，當控制器410在預先確定的時間段內保持于給定運行模式，沒 有充分地提供與由管理控制器404提供給控制器410的設定值(setpoint)相對應的輸出 時，就發生了轉移條件。例如，當在合理的時間內該系統不能提供理想溫度的空氣輸出時， 在機械制冷模式中就發生了轉移條件。在狀態501，用于熱盤管440的閥442被控制為調節流向熱盤管440的熱水、蒸汽 或者電流的流動，從而控制轉移到空氣中的能量大小。這樣保持了送入空氣的溫度處于設 定值(setpoint)。為了最小的室外空氣的流量而布置風門460、462和464，且不存在機械 制冷(也就是冷水閥446被關閉)。室外空氣的最小流量是為了達到對送風管道490的良 好通風而需要的最小量。例如，提供給管道490的空氣的20%為室外空氣。轉向狀態502 的條件是由保持于“無制熱模式”(No Heat Mode)中的制熱控制信號定義的。當熱盤管440 的閥442在定義時間段內保持關閉(也就是在該時間段內不需要對送入的空氣進行加熱) 時，就發生了這種模式。這種轉移條件可從室外溫度升高至來自送風管道490的空氣不需 要機械加熱的溫度點中產生。在狀態502，風門460、462和464被單獨用來控制送氣管道490中的送入空氣的溫 度(也就是不存在機械加熱或冷卻)。在這種狀態中，混合有來自回氣管道492的回流空氣 的室外空氣的量，被調節來加熱或冷卻經由送氣管道490提供的空氣。由于不存在加熱或 者機械制冷，所以不能達到設定值溫度導致了向狀態501或者狀態503的轉移。當在定義的時間段內室外空氣的流動少于適當的通風所需要的流動時或者當室外空氣入口風門464 在給定時間段內保持于最小的打開位置時，就發生了向狀態501的轉移。一旦風門控制在 一段時間內保持于最大量的室外空氣位置(例如，由AHU提供的空氣100%為室外空氣)， 有限狀態機就使得從狀態502轉移到進行機械制冷的狀態503。在狀態503，用于冷盤管444的冷水閥446被控制來調節冷水的流動和控制從空氣 中移除的能量大小。此時，極值搜索控制被用來調節風門460、462和464，以將最佳量的室 外空氣引進AHU 430。在典型實施例中，當在給定的時間段內沒有發生機械制冷(也就是在 無制冷(no-cooling)模式中制冷控制已經飽和)時，就發生了向狀態502的轉移。進一步參照圖3。在狀態501中，通風所需要的對最少量的室外空氣的加熱被啟 動。在寒冷的天氣，控制的初始狀態是對最少量的室外空氣進行加熱的狀態501。系統于狀 態501中開始，以將冷盤管444和熱盤管440能夠凍結的能量(potential)減到最小。通 過調節來自熱盤管440的熱量，狀態501控制送入空氣的溫度。風門460、462和464被控 制為達到最小的通風量。在典型實施例中，在制熱控制信號在固定時間段內已處于最小值 (無熱量位置 )后，發生向狀態502的轉移。在狀態502中，該系統利用室外空氣以向該系統提供“免費制冷(freecooling)”。 狀態502通過調節風門460、462和464控制送入空氣的溫度，以調整室外空氣和回流空氣 的混合。在典型實施例中，在風門460、462和464在固定時間段內已處于最低的通風需求 后或者在風門控制信號在固定時間段內處于最小值后，發生向狀態501的轉移。在典型實 施例中，在風門460、462和464已經在固定時間段內被控制為提供100%的室外空氣后，發 生向狀態503的轉移。在狀態503，系統利用帶有極值搜索控制策略的機械制冷來控制風門460、462和 464。通過調節通過冷盤管444的冷水或者制冷劑的流量，狀態503控制送入空氣的溫度。 極值搜索控制策略被用來確定風門460、462和464的位置，以最小化所需的機械制冷的量。 如果用于風門的最佳風門開度對應于風門的運行上的物理邊界，就可能發生執行器飽和條 件。控制器410已適于限制執行器飽和條件的負面影響。通風需求被設定為送氣管道490 中的室外空氣的量的下限。在典型的實施例中，在用于制冷的控制信號已處于非制冷命令 模式(no-cooling command mode)中固定時間段后，發生向狀態502的轉移。參照圖4A，根據典型的實施例，示出了補償執行器飽和條件的ESC環600的方塊 圖。響應于通過輸入接口 604接收的來自對象624的變化測量量621，具有極值搜索控制 邏輯的控制器602持續地修正其輸出。該控制理論中的對象是程序和一個或者更多的被機 械地控制的輸出的組合體。來自對象的測量量包括但是不局限于從傳感器接收的、關于該 系統的狀態的或者發送至該系統中的其它設備的控制信號的信息。輸入接口 604將測量量 621提供至性能梯度探測器(probe)612以檢測性能梯度。然后，如果對象624中出現了執 行器飽和條件，執行器飽和補償器614就調整ESC環600進行補償。操縱量更新器616根 據性能梯度和由執行器飽和補償器614提供的任何補償產生更新的操縱量620。在典型的 實施例中，操縱量更新器616包括積分器以驅動性能梯度至0。然后操縱量更新器616通過 輸出接口 606向對象624提供更新的操縱量620。參照圖4B，根據典型的實施例，示出了帶有多種測量量并被配置為限制執行器飽 和的影響的極值搜索控制環的塊狀圖。ESC環601包含ESC環600 (圖4A)的多種功能和結構，但是利用了多種測量量622來確定性能指標。控制器603通過輸入接口 604接收來自 對象600的測量量622。性能指標由性能指標計算器610利用測量量622計算出。性能指 標是利用測量量622對ESC環601的系統性能的數學表達。性能梯度探測器612接收來自 性能指標計算器610的性能指標來檢測性能梯度。然后如果對象624中出現執行器飽和條 件，執行器飽和補償器614就調整ESC環601。操縱量更新器616根據性能梯度和由執行器 飽和補償器614提供的任何補償產生更新的操縱量620。在典型的實施例中，操縱量更新 器616包括積分器以驅動性能梯度為0。然后操縱量更新器616通過輸出接口 606向對象 624提供更新的操縱量620。
參照圖5A，根據典型的實施例，示出了用于限制ESC環中的執行器飽和條件的影 響的程序719的流程圖。在該實施例中，在步驟720中極值搜索控制被提供給對象。在極值 搜索控制期間，ESC控制器判別其中執行器已飽和的狀態和其中執行器未飽和的狀態(步 驟722)。在典型的實施例中，步驟722可通過將由極值搜索控制策略指定的操縱量同與執 行器位置的物理范圍相對應的一系列控制信號進行比較來實現。例如，極值搜索控制器可 包含存儲關于執行器的物理限位的信息的存儲器模塊。在另一典型實施例中，控制器可被 配置為接收來自提供關于執行器的位置的數據的位置傳感器的輸入數據，以檢測執行器飽 和條件。如果檢測到執行器飽和條件，飽和條件被移除并且控制環被更新(步驟724)。通 過將發送到執行器的參數減小到位于與執行器的運行的物理限位相對應的范圍之內，飽和 條件可被移除。作為選擇，如果檢測到執行器飽和條件，該控制系統可被關閉一段時間。關 閉該控制系統然后再開啟具有重新初始化ESC環的效果，從而防止積分器繼續飽卷(wind up) ο圖5B是用來防止和/或限制ESC環的執行器飽和條件的影響的程序700的流程 圖。程序700被示出包括接收來自對象的測量量(步驟701)。控制原理中的對象為程序 和執行器的組合。在典型的實施例中，用于極值搜索系統的算法利用來自對象的單個輸入 測量量。該算法也可具有多個輸入測量量。在用于HVAC系統的典型實施例中，測量量可包 括來自溫度傳感器、濕度傳感器、氣流傳感器、風門定位(positioning)傳感器的輸入或者 能反映能量消耗。程序700還被示出包括探查性能梯度(步驟706)。在典型實施例中，探 查性能梯度可能需要利用該閉環系統中的抖動信號和解調信號，以確定出性能梯度。程序 700還包括利用積分器將性能梯度驅動為0(步驟708)。然后執行器飽和條件被檢測出并 且該條件被移除(步驟710)，改變被傳送到對象的操縱量(步驟712)。在圖5C中，根據典型的實施例，示出了利用來自執行器的反饋的、用來限制ESC環 的執行器飽和條件的影響的程序800的流程圖。在該實施例中，不需要邏輯確定來檢測執 行器飽和條件的存在，因為反饋環自動修正該條件。程序800包括極值搜索控制器所特有 的步驟，包括接收來自對象的測量量(步驟702)，探查性能梯度(步驟706)，利用積分器 將梯度驅動為0(步驟708)和更新輸入對象的操縱量(步驟712)。步驟702、706、708和 712可以與在圖5B中概述的程序700的相同的方式被執行。程序800還包括計算執行器 的輸入和輸出信號之間的差(步驟812)。執行器的輸入和輸出信號之間的差保持為0直 到執行器飽和。程序800還被示出將產生自步驟812的差信號傳遞到放大器(步驟814)。 被放大的來自步驟812的差信號然后被送回到步驟708并與步驟706的輸出相結合，以形 成進入步驟708的積分器的新的輸入(步驟816)。這樣防止了步驟708中的積分器發生飽卷(winding up)，并防止了極值系統變得不能適應于最佳運行條件中的變化。在圖6中，根據典型實施例，示出了被配置來限制執行器飽和條件的影響的濾波 ESC環970。濾波極值搜索控制通過利用高通濾波器、解調信號、低通濾波器和抖動信號來 確定性能梯度。積分器被用來將性能梯度驅動為0以優化閉環系統。在典型的實施例中， 為了限制執行器飽和條件的影響，濾波ESC環970利用了反饋環。對象951可被算術地表 達為線性的輸入動態(input dynamics)950、非線性的性能圖(performance map)952和線 性的輸出動態(output dynamics) 954的組合。為了應用ESC，不需要知道用于對象951的 實際的數學模型，并且其只是用作說明的。輸入動態950產生被傳送至非線性性能圖952 的功能信號‘x’。然后性能圖952的輸出被傳送至輸出動態954以提供輸出信號‘z’。ESC 環970尋求將性能圖952的輸出最小化的‘X’的值。只是作為說明性的示例，輸出信號‘z’ 可用表達式表示為z = f (x) = (x-xopt)2+2其中f(X)表示性能圖，x。pt表示f(x)被最小化時的值。ESC環中的性能圖的實施 表達式是以系統和應用為導向的(system and applicationspecific)。輸出信號‘z’被傳 遞通過線性輸出動態954以產生由極值搜索控制器接收的信號‘z' ’。借助最初的探查該系統，通過在處理元件959處將抖動信號增加至ESC環970，產 生出性能梯度信號。然后通過利用高通濾波器956、在處理元件957處與高通濾波器956的 輸出相結合(例如相乘)的解調信號958、和低通濾波器，返回信號‘z'，被用來檢測性能 梯度。性能梯度是“X”和‘x。pt’之間的差的函數。性能梯度被提供作為積分器964的輸入， 以將該梯度驅動為0，從而優化ESC環970。來自執行器模塊968的反饋被增加到ESC環970來限制執行器飽和條件的影響。 在處理元件971處計算出由ESC環970控制的執行器的輸入和輸出信號之間的差。執行器 模塊968代表執行器的輸入和輸出信號。在典型實施例中，處理元件971計算發送至執行 器的信號和取自執行器的可表示執行器的物理輸出的測量量之間的差。由處理元件971產 生的差信號然后被增益972放大，并在處理元件962處被增加至積分器964的輸入，因而限 制了積分器964的輸入并且防止了積分器飽卷(winding up)。在另一典型實施例中，處理 元件971采用軟件實現，并將輸出至執行器的信號同與執行器的物理限位(limits)相對應的一系列存儲值進行比較。在圖7中，示出了典型實施例中的用來控制AHU的ESC環76。利用來自執行器850 的反饋，ESC環76適于補償執行器飽和條件。AHU包括溫度調節器80、溫度調節器系統控 制器90、風門執行器850和風門852。溫度調節器80可為用來改變空氣溫度的任何機械裝 置。這可包括，但是不局限于冷盤管、熱盤管、蒸汽調節閥、冷水調節器或者空氣壓縮機。在 典型實施例中，溫度調節器80降低空氣的溫度。溫度調節器系統控制器90通過調整冷盤 管444(圖2)的冷水閥446的位置來保持送入空氣的溫度為設定值92。執行器850保 持風門852提供0%和100%之間的室外空氣。根據典型實施例，由溫度調節器系統控制器90、溫度調節器80和溫度傳感器480 構成的控制環控制AHU中的機械制冷的量。根據典型實施例，溫度調節器系統控制器90接 收來自管理控制器404 (圖2)的設定值空氣溫度92。溫度調節器系統控制器90還接收來自溫度傳感器480的測量量，溫度傳感器480測量由AHU向建筑物提供的空氣的溫度。溫 度調節器系統控制器90比較設定值溫度與所測量的溫度，并調整由溫度調節器80提供的 機械制冷的量，以達到設定值送入空氣的溫度92。為了控制用來調節進入AHU的室外空氣的量的風門852，ESC環76被連接到溫度 調節器控制環。在典型的實施例中，為了最大程度地利用室外空氣來制冷，ESC環76為執 行器850確定最佳設置，從而將溫度調節器80的能量消耗降為最低。通過結合在處理元件 67處被增加至ESC環76的抖動信號62、高通濾波器86、利用解調信號60的解調器69和低 通濾波器64，ESC環76的性能梯度被檢測。積分器98用來將檢測的梯度驅動為0。來自 積分器98的控制參數被傳送給執行器850以調節風門852，從而控制被AHU利用的空氣的 量。外面的空氣和/或來自其它氣源(例如回流空氣)的空氣與被溫度調節器80處理的 空氣相結合，并被提供給由AHU服務的區域。溫度傳感器480測量由AHU提供的空氣并將 溫度信息提供給溫度調節器系統控制器90。利用來自執行器850的輸入和輸出信號的反饋，ESC環76中的執行器 飽和條件的 影響是有限的。執行器850的輸入和輸出信號之間的差由處理元件68計算出。產生于處 理元件68處的運算的差值信號保持為0，直到風門執行器850變為飽和。該差值信號然后 被放大器66放大并于處理元件66處被反饋給積分器98的輸入，從而限制了積分器98的 輸入并防止積分器98發生飽卷(winding up)。防止積分器飽卷(windup)同樣防止了 ESC 環76變得不能適應于執行器850的最佳設置中的變化。應當理解的是ESC環76的功能可 利用電子電路或者存儲于數字處理電路中的軟件來實現。現在參照圖8，根據典型實施例，示出了被配置來限制執行器飽和條件的影響的用 于AHU的控制系統的框圖。AHU控制器410接收來自管理控制器404的溫度設定值。該溫度 設定值被用來驅動包括溫度調節器系統控制器90、溫度調節器系統952和溫度傳感器480 的控制環。溫度調節器系統控制器90將由溫度傳感器480測量的溫度與由管理控制器404 提供的設定溫度進行比較。為了將由AHU提供的空氣的溫度驅動為設定值，溫度調節器命 令信號被從控制器90發送到溫度調節器系統952以提供機械制熱或制冷。AHU控制410還包括ESC環860，以通過執行器850控制室外空氣風門852的位置。 為了最小化溫度調節器系統952的能量消耗，ESC環860被耦接到溫度調節器控制環。在典 型的實施例中，ESC環860尋求能夠通過利用室外空氣將由溫度調節器系統952消耗的能 量最小化的風門開度(opening)的設置。性能梯度探測器(probe)862檢測風門852的最 佳設置和風門852當前的設置之間的差異。在典型實施例中，性能梯度探測器(probe)862 利用高通濾波器、解調信號、低通濾波器和抖動信號來檢測性能梯度。對梯度的積分產生執 行器命令信號，以驅動執行器850達到其最佳設置。執行器850接收執行器命令信號并調 節風門852，控制進入AHU的外部空氣的流動。通過計算發送于積分器98的執行器命令信號和執行器850的輸出信號之間的差， AHU控制器410中的執行器飽和條件的影響是有限的。執行器850的輸出被反饋至ESC環 860并在元件68處與執行器命令信號相結合。元件68執行從執行器反饋信號中減去執行 器命令信號的數學運算。由元件68產生的差信號然后被放大器66的增益放大，并于處理 元件96處被增加至積分器98的輸入。如果風門執行器850飽和，則該差信號為非零，限制 積分器98的輸入來防止積分器飽卷(windup)。
參照圖9，根據典型的實施例，示出了圖8中的控制器410的結構圖。控制器410 被示出包含處理電路418。處理電路418被示出包含處理器414和存儲器416。處理電路 418可被可傳送地(communicably)與風扇控制輸出456、冷水閥輸出454、制熱閥輸出452、 執行器命令458、溫度輸入450和通信端口 412耦接。根據不同的典型實施例，處理電路418 可能為一般用途的處理器、專用處理器、包含一個或更多處理元件的電路、一組分布式處理 元件、一組被配置來進行處理的分布式計算機等等。處理器414可能為或者包括用來進行 數據處理和/或信號處理的任何數目的元件。存儲器416 (例如，存儲單元、內存設備、存儲設備等等)可能為一個或更多的用來 存儲數據和/或計算機代碼的設備，數據和/或計算機代碼是為了完成和/或促進在本文 中描述的各種程序，包括利用極值搜索邏輯來控制AHU的程序。存儲器416可包括易失性 存儲器和/或非易失性存儲器。存儲器416可包括數據庫模塊、目標代碼模塊、腳本模塊和 /或任何其它類型的用來支持在本文中描述的各種動作的信息結構。根據典型的實施例，過 去、當前或者將來的任何分布式的和/或本地存儲設備都可被本文的系統和方法所利用。 根據典型的實施例，存儲器416可傳送地連接至處理器414 (例如通過電路或其它連接)并 包含用來執行本文描述的一個或更多的程序的計算機代碼。存儲器416可包括關于控制環 的運行的各種數據(例如，之前的設定值、關于之前的用來將當前值調整為設定值的能量 的性能曲線等等)。在典型的實施例中，如圖8所描述的控制器410的功能可利用存儲于處理電路418 的存儲器416內的軟件來實現。管理控制器404通過通信端口 412向控制器410提供設定 值。溫度傳感器418 (圖8)將溫度輸入450提供給控制器410，其將測量的溫度與設定值溫 度進行比較。在典型的實施例中，溫度調節器命令被發送給冷水閥輸出454以冷卻AHU內部 的空氣。通過執行器命令458極值搜索控制策略860可被用來控制用于風門852的執行器 850。在典型的實施例中，來自執行器的反饋可通過利用從風門位置傳感器接收的物理信號 來實現。在另一典型實施例中，存儲器416能夠存儲關于執行器850的物理限位(limits) 的信息以檢測執行器飽和條件。而在另一典型實施例中，執行器飽和條件的檢測可能導致 積分器98的輸入受限制(圖8)。在圖10中，根據典型實施例，示出了用來限制用于AHU的極值搜索控制環中的執 行器飽和條件的影響的程序1000的流程圖。在典型實施例中，程序1000可作為存儲于AHU 控制器410的存儲器中的軟件實現。在另一典型實施例中，程序1000可采用模擬電路實現。 程序1000包括極值搜索控制策略特有的步驟，包括接收來自溫度調節器控制環的測量量 (步驟1002)，探查性能梯度(步驟1006)，利用積分器將梯度驅動為0(步驟1008)和更新 發送至風門執行器的操縱量(步驟1010)。程序1000還包括計算執行器的輸入和輸出信號 之間的差(步驟1012)。執行器的輸入和輸出信號之間的差保持為0，直到執行器飽和。程 序1000還被示出將產生自步驟812的差信號傳遞到放大器(步驟1014)。來自步驟1014 的被放大的差信號然后被送回到步驟1008并與步驟1006的輸出相結合，以形成步驟1008 的新的輸入。這樣防止了步驟1008中的積分器發生飽卷(winding up)，并防止了極值系統 變得不能適應于最佳運行條件中的變化。參照圖11A-B，為了將執行器飽和條件的影響最小化，示出了利用執行器反饋的可 選擇的極值搜索控制策略。反饋環被配置來計算執行器輸入和輸出之間的差、對該差進行放大，然后將該被放大的信號反饋回至積分器的輸入。所屬技術領域的技術人員應當理解 此處列舉的結構和功能可通過軟件實現或者作為電子處理電路實現。例如，信號的積分可 通過運行軟件的微處理器或者通過利用運放(op-amp)的積分電路實現。在圖IlA中，根據典型實施例，示出了被配置來限制執行器飽和條件的影響的開 關ESC環922。開關ESC環利用觸發電路向積分器提供信號，并且該積分器將該信號驅動 為0以優化該系統。如果由ESC控制的執行器變為飽和，那么積分器的存在可導致飽卷 (windup)條件的發生。在典型實施例中，開關ESC環922被配置有反饋環來限制執行器飽 和條件的影響。ESC環922控制對象903，該對象由輸入動態902、非線性性能圖904和線 性輸出動態906采用數學式表達。輸入動態902產生被傳送給非線性性能圖904的功能信 號‘χ’。性能圖904的輸出然后被傳遞給輸出動態906以提供輸出信號‘ζ’。輸出信號‘ζ’ 被輸出動態906修正以向極值搜索控制器產生返回信號‘ζ' ’。ESC環922尋求將性能圖 904的輸出最小化的‘X’的值，從而也最小化了輸出信號‘ζ’。只是作為說明性的示例，輸 出信號‘ζ’可用表達式表示為ζ = f (x) = (x-xopt) 2+2
其中f (χ)代表性能圖，x。pt表示f (χ)被最小化時的值。然后在微分器908處‘ζ’ 關于時間進行微商，并用作基于觸發器的帶有某種滯環的控制器910的輸入。電路910的觸 發器被配置為使得超過與輸出微商的負值相關的變化導致該觸發器改變狀態。在一實施例 中，利用滯環輸出來驅動觸發器的時鐘的J-K觸發器可被采用。電路910的輸出然后被積 分器912積分并被提供給對象903的執行器。飽和模塊914在數學上代表具有與由環922 產生的操縱量相對應的輸入和與該執行器的輸出相對應的輸出的對象的執行器。通過利用反饋環，飽和模塊914處的執行器飽和條件的影響是有限的。飽和模 塊914的輸入和輸出信號之間的差于處理元件916處被計算出。該差信號然后被增益 918放大并且在處理元件920處與積分器912的輸入相結合，來防止積分器912中的飽卷 (wind-up)ο下面參照圖11B，根據典型的實施例，示出了被配置來限制執行器飽和條件的影響 的自驅動ESC2環924。自驅動ESCs借助最初的確定梯度信號來運行。通過將性能圖的輸入 的關于時間的微分除以系統輸出特性的輸出的關于時間的微分，計算出自驅動ESC環中的 梯度信號。為了優化該閉環系統，然后積分器被用來驅動梯度為0。在典型實施例中，自驅 動ESC環924已被配置有反饋環來限制執行器飽和條件的影響。ESC環924包含對象931， 在數學上表達為線性輸入動態930、非線性性能圖932和線性輸出動態934的組合。與圖 9A類似，輸入動態930接收來自極值搜索控制器的操縱量以產生用作性能圖932的輸入的 信號‘χ’。ESC環924尋求產生將性能圖932的輸出‘ζ’最小化的‘X，的值。性能圖932 的輸出、,穿過輸出動態934來產生被極值搜索控制器測量的返回信號‘ζ' ’。在微分器 936處取得信號‘ζ' ’關于時間的微分，并被提供給除法器938。在微分器937處得到發送 至對象931的操縱量的關于時間的微分，并且也被提供給除法器938。除法器938產生對應 于dz' /dx的梯度信號，該梯度信號被提供積分器940作為輸入以驅動該梯度為0。利用 反饋環，執行器飽和條件的影響是有限的。與飽和模塊914(圖11A)類似，飽和模塊924在 數學上代表具有與由ESC環924產生的操縱量相對應的輸入和與該執行器的輸出相對應的 輸出的對象931的執行器。在處理元件944處，執行器的輸入和輸出信號之間的差被計算出。該差信號然后被增益946放大并在處理元件948處與積分器940的輸入相結合，來防 止積分器940中的飽卷(wi nd-up)。在不同的典型的實施例中說明的系統的結構和布置以及方法都只是示例性的說 明。盡管只有少數的實施例在本文中被詳細描述，但是可進行許多修正。所有的這類修正 都被確定為包含在當前公開的范圍之內。根據選擇的實施例，任何程序或方法步驟的次序 或順序可被改變或者重新排序。在典型實施例的設計、運行條件和布置上可做出其它替代、 修正、改變和省略，而不脫離當前公開的范圍。本申請中說明的執行器飽和控制可被應用至許多不同的HVAC結構(setups)。例 如，一個或多個風門可被用來控制穿過和/或AHU內部的氣流。極值搜索控制策略可被用 來控制該一個或多個風門以最小化AHU的能量消耗。再參照圖2，通過結合排氣風門460、 再循環空氣風門462和室外空氣入口風門464，可調節用來 減少AHU的能量消耗的空氣的 量。例如，如果9ex，，和e。ut分別表示風門460、462和464完全打開位置的轉折點 (fraction)，則風門位置可用下式相互關聯θ re = 1- θ exθ out = 1- θ re = θ ex在該例子中，各風門開度(openings)之間的關系使得ESC可被用來優化任何風門 的控制，因為一個風門的開度的優化導致所有的風門的開度的優化。然而在另一典型實施例中，一個或更多的風門具有固定的位置而其它的風門的開 度是可變的且相互關聯的。在該實施例中，用于風門460、462和464的風門位置可表達如 下θ。ut = 1，θ ex =來自 ESC 的操縱量，且 θ re = 1- θ ex在該例子中，ESC被用來優化風門460的控制，以將AHU的能量消耗減為最小，而 室外空氣入口風門464仍保持為完全打開，且風門462根據風門460而變化。因此ESC能 夠被用來優化AHU中的任何具有固定位置的風門和相互關聯的可變位置的風門的組合，其 中ESC被用來控制這些可變位置的風門中的一個或多個。ESC有時還可直接控制不止一個的風門。例如，多個ESC控制器可被用來控制多 個獨立的風門。可選擇地，帶有多個輸入的單個ESC控制器可被用來調節多個獨立的風門。 由極值搜索控制策略控制的AHU中的風門可包括、但不局限于外部空氣入口風門、再循環 空氣風門、排氣風門或者它們的組合。在當前公開的范圍內的實施例包括程序產品，程序產品包括用來承載或者在其上 存儲可被機器執行的指令或者數據結構的機器可讀介質。這樣的機器可讀介質可以為任何 能夠獲得的可被一般用途或者特殊用途的計算機或者其它帶有處理器的機器訪問的介質。 舉例來說，這類機器可讀的介質可包括RAM、ROM、EPROM、EEPROM、CD-ROM或者其它光盤存儲 器、磁盤存儲器或者其它磁盤存儲設備，或者任何能夠用來以可被機器執行的指令或者數 據結構的形式承載或者存儲目標程序代碼的、并可被一般用途或者特殊用途的計算機或者 其它帶有處理器的機器所訪問的其它介質。當信息通過網絡或者其它通信連接(硬連線 的、無線的或者硬連線的或無線的結合)傳送或者提供給機器，機器適當地將該連接視為 機器可讀介質。因而，任何這類的連接合適地被叫做機器可讀介質。以上的結合也包含在 機器可讀介質的范圍之內。可被機器執行的指令包括，例如，會使得一般用途計算機、特殊用途計算機或者特殊用途的處理機器來執行一定功能或者一組功能的指令和數據。
應當注意，盡管附圖顯示了方法步驟的具體順序，但是步驟的順序可不同于所描 述的。而且兩個或更多的步驟可并行執行或者可局部并行執行。這種變化取決于所選擇的 軟件和硬件系統以及設計者的選擇。所有的這類變形都是在本文公開的范圍之內。同樣地， 軟件實現可采用帶有基于規則的邏輯和其它邏輯的標準編程技術來完成，以完成各種連接 步驟、處理步驟、比較步驟和決定步驟。
權利要求
一種優化用于執行器的控制程序的方法，該方法包括利用極值搜索控制策略來操作所述控制程序；和利用電子電路來補償所述極值搜索控制策略的執行器飽和條件。
2.如權利要求1所述的方法，進一步包括 接收來自執行器的反饋信號；將該反饋信號與發送至所述執行器的控制信號進行比較； 從所述反饋信號中減去所述控制信號以獲得差信號； 放大所述差信號以擴大該差信號；和將被放大的信號提供給所述極值搜索控制策略的輸入，以覆蓋之前確定的最佳控制參數。
3.如權利要求2所述的方法，進一步包括在所述極值搜索控制策略的輸入處接收所述被放大的差信號；和 將所述被放大的差信號提供給被配置來減小性能梯度的積分器。
4.如權利要求1所述的方法，進一步包括主動地判別執行器飽和條件和其中執行器未發生飽和的狀態。
5.如權利要求4所述的方法，進一步包括當主動地判別到執行器飽和條件時，重置所述極值搜索控制策略。
6.如權利要求1所述的方法，進一步包括 從存儲器找回執行器的物理邊界；和利用該物理邊界檢測所述執行器飽和條件。
7.一種用來控制執行器的控制器，該控制器包括被配置來利用極值搜索控制策略來操作對象、并補償該極值搜索控制策略的執行器飽 和條件的處理電路。
8.如權利要求7所述的控制器，進一步包括 被配置來接收來自所述執行器的反饋信號的輸入；和 被配置來向所述執行器發送控制信號的輸出；其中所述處理電路還被配置來從所述反饋信號中減去所述控制信號以獲得差信號，并 且其中所述處理電路還被配置來向用來提供所述極值搜索控制策略的所述處理電路的邏 輯提供所述差信號，所述差信號覆蓋之前確定的最佳控制參數。
9.如權利要求8所述的控制器，進一步包括在將所述差信號提供給用來提供所述極值搜索控制策略的所述處理電路的邏輯之前， 放大所述差信號。
10.如權利要求8所述的控制器，進一步包括其中用來提供所述極值搜索控制策略的所述處理電路的邏輯包括被配置來減小性能 梯度的積分器，并且其中該積分器被配置來接收所述差信號作為輸入。
11.如權利要求8所述的控制器，其中所述處理電路還被配置來主動地判別執行器飽 和條件和其中所述執行器未發生飽和的狀態。
12.如權利要求11所述的控制器，其中所述處理電路還被配置來當判別出執行器飽和 條件時，重置所述極值搜索控制策略。
13.如權利要求8所述的控制器，其中所述處理電路進一步包括 存儲執行器的物理邊界信息的存儲器；其中所述處理電路被配置來從存儲器中找回所述物理邊界信息，并且利用找回的物理 邊界信息來檢測所述執行器飽和條件。
14.如權利要求8所述的控制器，其中所述處理電路包括處理器和可傳送地耦接至該 處理器的存儲設備，該存儲設備存儲利用所述極值搜索控制策略來操作所述對象的計算機 代碼和用來補償所述極值搜索控制策略的執行器飽和條件的計算機代碼。
15.一種被配置來用于具有溫度調節器和由執行器控制的風門的空氣調節單元的控制 器，該控制器包括處理電路被配置用來向所述溫度調節器提供第一控制信號，所述第一控制信號是基于設定值； 向所述執行器提供第二控制信號，所述第二控制信號由極值搜索控制環確定；和 調整所述極值搜索控制環以補償執行器飽和條件。
全文摘要
本發明公開了通過限制、消除或者防止執行器飽和條件的影響來改進極值搜索控制策略、尤其是與HVAC應用相關的極值搜索控制策略的性能的系統和方法。
文檔編號G05B13/02GK101861552SQ200880102006
公開日2010年10月13日 申請日期2008年7月15日 優先權日2007年7月17日
發明者李耀宇, 約翰·E·西姆 申請人:約翰遜控制技術公司