用于控制輸入到建筑物內(nèi)的能量的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域通常涉及控制系統(tǒng)，且更具體地涉及用于使用分級控制網(wǎng)絡(luò)來提高多個 控制體積的能量效率的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 常規(guī)比例-積分-微分控制器（PID控制器）是一種控制回路反饋機(jī)構(gòu)，其通過監(jiān) 測表示在所測量的過程變量和期望設(shè)定點(diǎn)之間的差異的所計(jì)算的偏差來控制過程。這種類 型的控制器試圖通過調(diào)節(jié)過程控制輸入來最小化偏差。
[0003] 雖然PID控制器比一般接通/斷開控制器更普遍且它們提供了幾個優(yōu)點(diǎn)，例如在 設(shè)計(jì)和執(zhí)行方面簡單，但是它們從能量使用方面來說也可能是大大地低效的。這個缺點(diǎn)在 數(shù)據(jù)中心中加重，其中為最壞情況或峰值負(fù)載情形提供加熱和冷卻。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 根據(jù)各個方面和實(shí)施方式，提供了用于控制多個控制體積中的每個控制體積的系 統(tǒng)。該系統(tǒng)包括相應(yīng)于多個控制體積的多個傳感器。多個傳感器中的每個傳感器配置成檢 測相應(yīng)于傳感器的控制體積的溫度值，并基于溫度值產(chǎn)生相應(yīng)于傳感器的控制體積的反饋 信號。系統(tǒng)還包括主控制器，其配置成：接收每個控制體積的設(shè)定點(diǎn)溫度值，接收每個控制 體積的反饋信號，執(zhí)行配置成基于控制體積的設(shè)定點(diǎn)溫度值和控制體積的反饋信號來確定 每個控制體積的目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)溫度值的線性二次調(diào)節(jié)器（LQR)控制，以及將每個控制體積的 目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)溫度值傳輸?shù)蕉鄠€輔助控制器中的輔助控制器。
[0005] 根據(jù)另一實(shí)施方式，多個輔助控制器相應(yīng)于多個控制體積，且多個輔助控制器中 的每個輔助控制器可配置成：接收相應(yīng)于輔助控制器的控制體積的目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)溫度值，接 收相應(yīng)于輔助控制器的控制體積的反饋信號，并基于相應(yīng)于輔助控制器的控制體積的目標(biāo) 設(shè)定點(diǎn)溫度值和相應(yīng)于輔助控制器的控制體積的反饋信號來產(chǎn)生相應(yīng)于輔助控制器的控 制體積的控制信號。系統(tǒng)還包括配置成基于控制體積的控制信號來調(diào)節(jié)進(jìn)入每個控制體積 內(nèi)的空氣的流速的至少一個致動器。
[0006] 在系統(tǒng)中，每個輔助控制器可以是PID控制器。根據(jù)至少一個實(shí)施方式，每個PID 控制器關(guān)于時(shí)間索引k的控制信號由下式定義：
[0007]u(k) =F(k)b(k+1)-K(k)x(k)
[0008]其中：
[0009] K(k) = [R+BTP(k+l)B]VPGc+DA;以及
[0010] F(k) =-[R+BTP(k+l)B]
[0011] 在系統(tǒng)中，執(zhí)行LQR控制可包括最小化由下式定義的LQR函數(shù)：
[0012]
[0013]其中：
[0014] u(t)表示相應(yīng)于多個輔助控制器的控制信號；
[0015] x(t)表示相應(yīng)于溫度的狀態(tài)變量；
[0016] Q表示相應(yīng)于設(shè)定點(diǎn)溫度的權(quán)矩陣；以及
[0017] R表示相應(yīng)于能量利用率的權(quán)矩陣。
[0018] 根據(jù)一些實(shí)施方式，主控制器還配置成產(chǎn)生多個控制體積的熱模型。可根據(jù)與多 個控制體積有關(guān)的物理數(shù)據(jù)以及根據(jù)基于能量的守恒的至少一個計(jì)算來確定熱模型。至少 一個計(jì)算可包括相應(yīng)于傳導(dǎo)、對流和輻射的至少一個熱傳遞項(xiàng)。根據(jù)至少一個實(shí)施方式，主 控制器還配置成基于熱模型預(yù)測至少一個控制體積的能量利用率。在一些實(shí)施方式中，相 應(yīng)于溫度的狀態(tài)變量包括從熱模型得到的至少一個溫度。
[0019] 根據(jù)另一實(shí)施方式，執(zhí)行LQR控制還包括確定從系統(tǒng)的線性模型得到的狀態(tài)空間 模型，狀態(tài)空間模型由下式定義：
[0020]
[0021] 其中：
[0022] A表示相應(yīng)于溫度的狀態(tài)矩陣；
[0023] X表示相應(yīng)于溫度的矢量狀態(tài)；
[0024] B表示命令矩陣；以及
[0025] U表不矢量輸入。
[0026] 根據(jù)至少一個實(shí)施方式，執(zhí)行LQR控制還包括確定從系統(tǒng)的非線性模型得到的由 下式定義的狀態(tài)空間模型：
[0027]
[0028] 其中：
[0029] A表示相應(yīng)于溫度的狀態(tài)矩陣；
[0030] X表示相應(yīng)于溫度的矢量狀態(tài)；以及
[0031] U表不矢量輸入。
[0032] 根據(jù)各方面和實(shí)施方式，提供了控制關(guān)于系統(tǒng)中的多個控制體積中的每個控制體 積的溫度的方法。該方法包括下列動作：接收相應(yīng)于多個控制體積中的每個控制體積的所 測量的溫度值，接收每個控制體積的設(shè)定點(diǎn)溫度值，通過基于控制體積的設(shè)定點(diǎn)溫度值和 控制體積的所測量的溫度值執(zhí)行線性二次調(diào)節(jié)器（LQR)控制來確定每個控制體積的目標(biāo) 設(shè)定點(diǎn)溫度值，傳輸目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)溫度值，以及基于控制體積的目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)溫度值和每個控 制體積的所測量的溫度值來產(chǎn)生每個控制體積的控制信號。
[0033] 根據(jù)一些實(shí)施方式，該方法還包括基于控制體積的控制信號來調(diào)節(jié)進(jìn)入每個控制 體積內(nèi)的空氣的流速。
[0034] 根據(jù)另一實(shí)施方式，通過實(shí)現(xiàn)PID控制來實(shí)施產(chǎn)生每個控制體積的控制信號。根 據(jù)至少一個實(shí)施方式，用于實(shí)現(xiàn)PID控制的關(guān)于時(shí)間索引k的控制信號由下式定義：
[0035] u(k) =F(k)b(k+1)-K(k)x(k)
[0036] 其中：
[0037] K(k) = [R+BTP(k+l)B]VPGc+DA;以及
[0038] F(k) = -[R+BTP(k+l)B]
[0039] 根據(jù)某個實(shí)施方式，該方法還包括基于與多個控制體積有關(guān)的物理數(shù)據(jù)和根據(jù)基 于能量的守恒的至少一個計(jì)算產(chǎn)生多個控制體積的熱模型，其中至少一個計(jì)算可包括相應(yīng) 于傳導(dǎo)、對流和輻射的至少一個熱傳遞項(xiàng)。根據(jù)一些實(shí)施方式，方法還包括基于熱模型預(yù)測 至少一個控制體積的能量利用率。在至少一個實(shí)施方式中，相應(yīng)于溫度的狀態(tài)變量包括從 熱模型得到的至少一個溫度。
[0040] 根據(jù)一些實(shí)施方式，該方法還包括周期性地接收每個控制體積的所測量的溫度 值，并基于周期性地接收的所測量的溫度值來更新目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)溫度值。
[0041] 根據(jù)至少一個實(shí)施方式，該方法還包括確定從系統(tǒng)的線性模型得到的狀態(tài)空間模 型，狀態(tài)空間模型由下式定義：
[0042]
[0043] 其中：
[0044] A表示相應(yīng)于溫度的狀態(tài)矩陣；
[0045] X表示相應(yīng)于溫度的矢量狀態(tài)；
[0046] B表示命令矩陣；以及
[0047] U表示矢量輸入。
[0048] 根據(jù)另一實(shí)施方式，該方法還包括確定從系統(tǒng)的非線性模型得到的由下式定義的 狀態(tài)空間模型：
[0049]
[0050] 其中：
[0051] A表示相應(yīng)于溫度的狀態(tài)矩陣；
[0052] X表示相應(yīng)于溫度的矢量狀態(tài)；以及
[0053] U表不矢量輸入。
[0054] 根據(jù)各方面和實(shí)施方式，提供了一種存儲有至少一個處理器可執(zhí)行的指令的非暫 時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，所述指令被至少一個處理器執(zhí)行用于執(zhí)行包括多個控制體積的系統(tǒng) 內(nèi)的溫度控制方法。指令可被編碼以指示至少一個處理器：接收多個控制體積中的每個控 制體積的所測量的溫度值，接收每個控制體積的設(shè)定點(diǎn)溫度值，通過基于控制體積的設(shè)定 點(diǎn)溫度值和控制體積的所測量的溫度值執(zhí)行線性二次調(diào)節(jié)器（LQR)控制來確定每個控制 體積的目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)溫度值，傳輸每個控制體積的目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)溫度值，以及基于控制體積的 目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)溫度值和每個控制體積的所測量的溫度值來產(chǎn)生每個控制體積的控制信號。
[0055] 下面詳細(xì)討論這些示例方面和實(shí)施方式的又一些其它方面、實(shí)施方式和優(yōu)點(diǎn)。而 且，應(yīng)理解，前述信息和后面的詳細(xì)描述都僅僅是各方面和實(shí)施方式的說明性的示例，且 旨在提供用于理解所主張的方面和實(shí)施方式的性質(zhì)和特征的概述或框架。本文公開的 實(shí)施方式可與其它實(shí)施方式組合，且對"實(shí)施方式（embodiment) "、"例子（example)"、 "一些實(shí)施方式（s〇meembodiments) "、"一些例子（someexamples) "、"可選的實(shí)施方式 (alternateembodiment) "、"各種實(shí)施方式（variousembodiments) "、"一個實(shí)施方式（one embodiment) "、"至少一個實(shí)施方式（atleastoneembodiment) "、"這個和其它實(shí)施方式(thisandotherembodiments)"等的提及并不一定是相互排斥的，而旨在指示可能包括在 至少一個實(shí)施方式中的所描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性。在本文的這樣的術(shù)語的出現(xiàn)并不 一定都指同一實(shí)施方式。
【附圖說明】
[0056] 下文參考附圖討論了至少一個實(shí)施方式的各個方面，其中附圖并非意在按比例進(jìn) 行繪制。附圖被包括以提供各方面和實(shí)施方式的說明和進(jìn)一步的理解，且被合并到該說明 書中并構(gòu)成該說明書的一部分，但并不意欲作為任何特定的實(shí)施方式的限制的限定。附圖 連同說明書的其余部分一起用于解釋所描述和所主張的方面和實(shí)施方式的原理和操作。在 附圖中，在各附圖中所示出的每個相同或幾乎相同的部件由相似的數(shù)字表示。出于清楚表 述的目的，并非在每個附圖中都標(biāo)出了每個組件。在附圖中：
[0057] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的方面的第一控制系統(tǒng)的示意圖；
[0058] 圖2是根據(jù)本發(fā)明的方面的第二控制系統(tǒng)的示意圖；
[0059] 圖3是根據(jù)本發(fā)明的方面而使用的方法的數(shù)學(xué)表示；
[0060] 圖4是根據(jù)本發(fā)明的方面的熱存儲和三種不同形式的熱傳遞的圖形表示；
[0061] 圖5是根據(jù)本發(fā)明的方面的單個控制體積的熱模型的圖形表示；
[0062] 圖6是根據(jù)本發(fā)明的方面的、包括三個控制體積的熱模型的圖形表示；
[0063] 圖7是根據(jù)本發(fā)明的方面的墻壁的熱路的圖形表示；
[0064] 圖8A和8B是根據(jù)本發(fā)明的方面而使用的方法的數(shù)學(xué)表示；
[0065] 圖9是根據(jù)本發(fā)明的方面而使用的方法的數(shù)學(xué)表示；
[0066] 圖10是根據(jù)本發(fā)明的方面而使用的方法的離散數(shù)學(xué)表示和控制系統(tǒng)；
[0067] 圖11是根據(jù)本發(fā)明的方面的溫度控制系統(tǒng)的一個例子的功能方框圖；以及
[0068] 圖12是根據(jù)本發(fā)明的方面的溫度控制過程的一個示例的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0069] 本文所述的方法和系統(tǒng)提供建筑物或其它構(gòu)筑物的加熱、通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)（HVAC) 系統(tǒng)的改進(jìn)的控制策略或系統(tǒng)。提供了主控制系統(tǒng)，其配置成接收攜帶關(guān)于來自多個單獨(dú) 的控制體積內(nèi)的空氣的物理特性的信息的反饋信號，每個控制體積由輔助PID型控制器控 制。主控制器執(zhí)行數(shù)學(xué)方法以確定每個控制體積的目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)溫度。由主控制器執(zhí)行的數(shù) 學(xué)方法考慮單獨(dú)的控制體積彼此間的相互依賴性，這允許主控制器和輔助控制器一起工作 以實(shí)現(xiàn)由用戶設(shè)置的一個或多個狀態(tài)。這些狀態(tài)與每個控制體積的期望溫度（或舒適度） 和每個控制體積的能量利用率（或能量成本）有關(guān)。由主控制器使用的控制系統(tǒng)因此能夠 提供在任何現(xiàn)有的成本約束內(nèi)可能的最佳舒適度。
[0070] 本文根據(jù)本發(fā)明所公開的方面，并不將其應(yīng)用限制于在下面的描述中闡述的或在 附圖中示出的部件的構(gòu)造和布置的細(xì)節(jié)。這些方面能夠呈現(xiàn)其它實(shí)施方式且能夠以各種方 式被實(shí)施或執(zhí)行。特定實(shí)現(xiàn)的例子在本文僅為了說明性目的而提供，而不能被認(rèn)為是限制 性的。實(shí)際上，關(guān)于任一個或多個實(shí)施方式討論的動作、部件、元件和特征并不被視為與在 任何其它實(shí)施方式中的類似的角色相排斥。