本發(fā)明屬于用于蒸氣壓縮系統(tǒng)的控制領(lǐng)域，更具體地屬于用于優(yōu)化蒸氣壓縮系統(tǒng)的性能度量的控制方法。

背景技術(shù)：

蒸氣壓縮系統(tǒng)(諸如熱泵、制冷和空調(diào)系統(tǒng))廣泛用于工業(yè)和居住應(yīng)用。將變速壓縮機(jī)、可變位置閥以及變速風(fēng)機(jī)引入用于蒸氣壓縮循環(huán)已經(jīng)大大提高了這種系統(tǒng)的操作靈活性。可以通過正確控制這些新部件來提高蒸氣壓縮系統(tǒng)的效率。

例如，可以調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的速度來調(diào)節(jié)制冷劑的流量?？梢愿淖冋舭l(fā)器風(fēng)機(jī)和冷凝器風(fēng)機(jī)的速度來改變空氣和熱交換器之間的熱傳遞。膨脹閥開度的變化可能直接影響蒸氣壓縮系統(tǒng)中的高壓和低壓之間的壓降，這轉(zhuǎn)而影響制冷劑的流速以及對(duì)應(yīng)蒸發(fā)器出口處的過熱溫度。

到遞送特定熱量的蒸氣壓縮系統(tǒng)的命令輸入的組合通常不是唯一的，并且這些各種組合消耗不同量的能量。因此，期望使用使系統(tǒng)能量最小化且使系統(tǒng)效率最大化的輸入的組合來操作蒸氣壓縮系統(tǒng)。

傳統(tǒng)上，使能量效率最大化的方法依賴使用蒸氣壓縮系統(tǒng)的物理性質(zhì)的數(shù)學(xué)模型。這些基于模型的方法嘗試描述蒸氣壓縮系統(tǒng)的部件的命令輸入對(duì)系統(tǒng)的熱力學(xué)行為和所消耗能量的影響。在這些方法中，模型用于預(yù)測既滿足熱負(fù)荷要求且使能量最小化的輸入的組合。

然而，將數(shù)學(xué)模型用于選擇優(yōu)化輸入具有若干重要缺點(diǎn)。首先，為了產(chǎn)生數(shù)學(xué)上易管理的表示，模型依賴簡化假定。這些假定通常忽略重要效應(yīng)或不考慮安裝特定特性(諸如房間尺寸)，這使得系統(tǒng)的模型與系統(tǒng)的實(shí)際行為偏離。

其次，制造過程期間這些系統(tǒng)的變化通常如此大以至于產(chǎn)生展示不同輸入輸出特性的同一類型的蒸氣壓縮系統(tǒng)，因此，單個(gè)模型無法準(zhǔn)確描述作為制造過程的結(jié)果而生產(chǎn)的副本之間的變化。

第三，這些模型難以導(dǎo)出并校準(zhǔn)。例如，對(duì)于所用的各類型壓縮機(jī)在實(shí)驗(yàn)上確定描述蒸氣壓縮系統(tǒng)的部件(例如，壓縮機(jī))的操作的參數(shù)，并且完整蒸氣壓縮系統(tǒng)的模型可能具有幾十個(gè)這種參數(shù)。對(duì)于各模型確定這些參數(shù)的值花費(fèi)大量精力。同樣，已知蒸氣壓縮系統(tǒng)隨著時(shí)間變化。曾經(jīng)準(zhǔn)確描述蒸氣壓縮系統(tǒng)的操作的模型可能隨著系統(tǒng)變化(例如，由于緩慢泄漏制冷劑或熱交換器磨損的累積)而在后來不準(zhǔn)確。

優(yōu)化性能度量的基于模型的控制器的另選方案由于它們使感興趣的信號(hào)最大化或最小化的能力而包括“極值尋找”控制器(ESC)。傳統(tǒng)ESC通過將擾動(dòng)應(yīng)用于一個(gè)或更多個(gè)輸入且測量性能度量中產(chǎn)生的擾動(dòng)來積極地以受控設(shè)備做實(shí)驗(yàn)。這些擾動(dòng)在一些時(shí)窗上被平均，以產(chǎn)生性能度量的梯度的估計(jì)。梯度的該局部估計(jì)然后用于沿使成本最大化或最小化的梯度方向來導(dǎo)引輸入的平均值。

例如，US8,694,131中描述的方法教導(dǎo)：基于擾動(dòng)的極值尋找控制器可以被構(gòu)造為修改蒸氣壓縮系統(tǒng)的操作，使得致動(dòng)器的能量最佳組合用于指導(dǎo)蒸氣壓縮系統(tǒng)的操作。雖然基于擾動(dòng)的極值尋找方法可以在不依賴模型的情況下實(shí)現(xiàn)凸性能度量的最佳值，但該方法經(jīng)受緩慢的收斂速率。因?yàn)镋SC的目的是找到最佳的穩(wěn)態(tài)操作點(diǎn)，所以極值尋找控制器以準(zhǔn)穩(wěn)定方式(即，在沒有引起設(shè)備的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的情況下)控制設(shè)備。在其他方面，由于瞬態(tài)響應(yīng)產(chǎn)生的在所施加控制與測量之間的相位信息無法與由于性能度量的正弦擾動(dòng)測量而產(chǎn)生的相位信息區(qū)分。

如果與蒸氣壓縮系統(tǒng)的自然力學(xué)關(guān)聯(lián)的最慢(因此而主要的)時(shí)間常數(shù)稱為τ_plant，那么擾動(dòng)時(shí)段τ_perturb必須更慢(更大的時(shí)間常數(shù))：τ_perturb>>τ_plant。進(jìn)一步地，為了獲得(平均)梯度的準(zhǔn)確估計(jì)，ESC必須平均若干擾動(dòng)，并且因?yàn)闃O值尋找發(fā)生在該平均梯度的時(shí)標(biāo)上，所以極值尋找控制器的收斂速率比設(shè)備動(dòng)力學(xué)慢兩個(gè)時(shí)標(biāo)：τ_adapt>>τ_perturb>>τ_plant。

因?yàn)檎魵鈮嚎s系統(tǒng)的主時(shí)間常數(shù)通常在數(shù)十分鐘級(jí)，所以極值尋找控制器可能花費(fèi)數(shù)小時(shí)來收斂到最佳點(diǎn)。并且因?yàn)橐阎饔糜谡魵鈮嚎s系統(tǒng)的擾動(dòng)具有更快的動(dòng)力學(xué)，所以最佳操作點(diǎn)可能在擾動(dòng)ESC收斂之前變化。因此，基于擾動(dòng)的極值尋找的緩慢收斂特性代表對(duì)蒸氣壓縮系統(tǒng)性能的實(shí)時(shí)優(yōu)化的解決方案的障礙。

研究人員長期以來與基于擾動(dòng)ESC的緩慢收斂速率作斗爭。最初的努力集中于引入將響應(yīng)瞬態(tài)部分的相位的效應(yīng)與對(duì)擾動(dòng)的響應(yīng)分離的過濾器。然而，該方法需要憑借設(shè)備的特定詳細(xì)知識(shí)來設(shè)計(jì)過濾器，并且即使在該信息可用時(shí)，因?yàn)槿匀恍枰獢_動(dòng)平均，所以僅少量提高收斂速率。

其他方法已考慮對(duì)性能度量的梯度進(jìn)行經(jīng)評(píng)估和考慮海森矩陣。然而，因?yàn)楹Ｉ仃嚨闹惦S著接近最佳點(diǎn)而快速接近零，所以該方法很快被噪聲淹沒。

因此，領(lǐng)域中需要提高極值尋找控制器的收斂速率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一些實(shí)施方式的一個(gè)目的是提高使表示蒸氣壓縮系統(tǒng)的性能度量的信號(hào)最大化或最小化的極值尋找控制方法的收斂速率。優(yōu)化性能度量需要表示控制信號(hào)的值與性能度量的值之間的關(guān)系的參數(shù)的估計(jì)。這種參數(shù)的示例包括性能度量相對(duì)于控制信號(hào)的梯度(斜率)。本發(fā)明的一些實(shí)施方式基于以下認(rèn)識(shí)：雖然不應(yīng)對(duì)于控制的各時(shí)間步長精確估計(jì)這種參數(shù)，但只要估計(jì)在控制的瞬態(tài)時(shí)間期間收斂到參數(shù)的真實(shí)值就可以近似所述參數(shù)。

這種認(rèn)識(shí)允許利用極值尋找控制的迭代性質(zhì)來遞歸且與控制信號(hào)的確定同時(shí)地更新參數(shù)。例如，估計(jì)參數(shù)的當(dāng)前值可以基于估計(jì)參數(shù)的前一值以及性能度量的確定值與性能度量的測量值之間的誤差來確定。這樣，保證估計(jì)參數(shù)(例如，梯度)收斂到真實(shí)梯度，而不管噪聲如何。

本發(fā)明的一些實(shí)施方式基于以下認(rèn)識(shí)：隨著接近凸關(guān)系的最佳值，該關(guān)系的梯度可以用時(shí)變參數(shù)來表示。還認(rèn)識(shí)到，估計(jì)算法可以被制訂為估計(jì)該時(shí)變梯度，并且該估計(jì)梯度可以用于計(jì)算朝向最佳操作點(diǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制動(dòng)作。還認(rèn)識(shí)到，當(dāng)被作為時(shí)變估計(jì)問題而制訂時(shí)，消除平均估計(jì)梯度的需要，這產(chǎn)生更快的收斂速率。

本發(fā)明的一些實(shí)施方式基于以下認(rèn)識(shí)：蒸氣壓縮系統(tǒng)輸入與性能度量之間的凸關(guān)系可以由使用應(yīng)用于蒸氣壓縮系統(tǒng)的同一輸入的函數(shù)來近似，以基于估計(jì)梯度生成估計(jì)的系統(tǒng)輸出。一些實(shí)施方式在該函數(shù)中修改估計(jì)梯度，使得估計(jì)的性能度量與測量的性能度量匹配，并且將估計(jì)梯度驅(qū)動(dòng)到實(shí)際梯度。為了將系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)至最佳點(diǎn)，控制規(guī)律使用估計(jì)梯度來確定，并且隨著系統(tǒng)從次佳點(diǎn)移至最佳點(diǎn)，估計(jì)梯度的值隨著它接近零而追蹤時(shí)變實(shí)際梯度。

在各種實(shí)施方式中，控制信號(hào)可以為向量，并且系數(shù)可以為標(biāo)量、具有合適維度的向量或矩陣以確保多維計(jì)算是足夠的。以該方式，一些實(shí)施方式可以同時(shí)優(yōu)化多個(gè)蒸氣壓縮系統(tǒng)致動(dòng)器。

因?yàn)榭梢栽诓桓蓴_該極值尋找控制器的情況下拒絕干擾(諸如室外氣溫和熱負(fù)荷的變化)，所以本發(fā)明的一些實(shí)施方式應(yīng)用于優(yōu)化易變顧客環(huán)境中的蒸氣壓縮系統(tǒng)。

本發(fā)明的一些實(shí)施方式可以用來直接優(yōu)化一個(gè)或更多個(gè)致動(dòng)器命令(即，一些致動(dòng)器由極值尋找控制器直接控制)，或者通過修改源于反饋控制器的一個(gè)或更多個(gè)致動(dòng)器命令來優(yōu)化一個(gè)或更多個(gè)致動(dòng)器命令。在后者的配置中，盡管僅一部分致動(dòng)器受極值尋找控制器直接操縱，但所有致動(dòng)器命令實(shí)現(xiàn)它們的最佳值。這是因?yàn)檎魵鈮嚎s系統(tǒng)用同時(shí)控制全部輸入以拒絕干擾(包括可以被視為源于極值尋找控制器的干擾)的多變量反饋控制器來反饋。

本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式降低能耗，在這種情況下，性能度量可以為蒸氣壓縮機(jī)的測量能耗或估計(jì)能耗。

本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式提高蒸氣壓縮系統(tǒng)的供熱或冷卻能力，例如以在最少量的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)設(shè)定點(diǎn)溫度的變化。在這種情況下，性能度量可以為測量冷卻能力或估計(jì)冷卻能力或測量供熱能力或估計(jì)供熱能力。

本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式提高性能系數(shù)(COP)，該COP例如被定義為由能耗標(biāo)準(zhǔn)化的蒸氣壓縮系統(tǒng)所提供的供熱或冷卻量。在該實(shí)施方式中，性能度量可以為所述能耗除以供熱或冷卻能力。

因此，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式公開了一種用于控制蒸氣壓縮系統(tǒng)的方法。該方法在控制的當(dāng)前時(shí)間步長包括以下步驟：使用為所述控制的前一時(shí)間步長所述確定的估計(jì)參數(shù)的前一值以及控制信號(hào)的前一值來確定所述蒸氣壓縮系統(tǒng)的性能度量的值，其中，所述估計(jì)參數(shù)的值表示所述控制信號(hào)的值與所述性能度量的值之間的關(guān)系；基于所述估計(jì)參數(shù)的所述前一值以及所述性能度量的確定值與所述性能度量的測量值之間的誤差來確定所述估計(jì)參數(shù)的當(dāng)前值；以及基于所述估計(jì)參數(shù)的所述當(dāng)前值來確定所述控制信號(hào)的當(dāng)前值。所述步驟由處理器來執(zhí)行。

另一個(gè)實(shí)施方式公開了一種用于控制蒸氣壓縮系統(tǒng)的極值尋找控制器，該控制器包括：估計(jì)器，該估計(jì)器用于確定所確定的性能度量與所測量的性能度量之間的誤差，并且用于估計(jì)表示控制信號(hào)的值與所述性能度量的值之間的關(guān)系的參數(shù)，其中，所述參數(shù)被確定為減小所述誤差；以及控制規(guī)律單元，該控制規(guī)律單元用于基于所述估計(jì)參數(shù)來確定控制信號(hào)。

定義

在描述本發(fā)明的實(shí)施方式時(shí)，以下定義自始至終(包括上述內(nèi)容)適用。

“計(jì)算機(jī)”是指能夠接受結(jié)構(gòu)化輸入，根據(jù)規(guī)定規(guī)則處理結(jié)構(gòu)化輸入并產(chǎn)生處理結(jié)果作為輸出的任意設(shè)備。計(jì)算機(jī)的示例包括計(jì)算機(jī)、通用計(jì)算機(jī)、超級(jí)計(jì)算機(jī)、大型計(jì)算機(jī)、超級(jí)迷你計(jì)算機(jī)、迷你計(jì)算機(jī)、工作站、微型計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、交互式電視、計(jì)算機(jī)和交互式電視的混合組合以及仿真計(jì)算機(jī)和/或軟件的專用硬件。計(jì)算機(jī)可以具有單個(gè)處理器或多個(gè)處理器，多個(gè)處理器可以并行和/或非并行操作。計(jì)算機(jī)還指經(jīng)由用于在計(jì)算機(jī)之間發(fā)送或接收信息的網(wǎng)絡(luò)連接在一起的兩個(gè)或更多個(gè)計(jì)算機(jī)。這種計(jì)算機(jī)的示例包括用于經(jīng)由由網(wǎng)絡(luò)鏈接的計(jì)算機(jī)處理信息的分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

“中央處理單元(CPU)”或“處理器”是指讀取并執(zhí)行軟件指令的計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)的部件。

“存儲(chǔ)器”或“計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)”是指用于存儲(chǔ)可由計(jì)算機(jī)訪問的數(shù)據(jù)的任意儲(chǔ)存器。示例包括磁硬盤、軟盤、光盤(像CD-ROM或DVD)、磁帶、存儲(chǔ)芯片、用于承載計(jì)算機(jī)可讀電子數(shù)據(jù)(諸如用于發(fā)送和接收電子郵件或用于訪問網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù))的載波以及計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器(例如，隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM))。

“軟件”是指操作計(jì)算機(jī)的規(guī)定規(guī)則。軟件的示例包括軟件、代碼段、指令、計(jì)算機(jī)程序以及程控邏輯。智能系統(tǒng)的軟件可以能夠自學(xué)習(xí)。

“模塊”或“單元”是指計(jì)算機(jī)中執(zhí)行任務(wù)或任務(wù)的一部分的基本部件。它可以由軟件或硬件二者之一來實(shí)施。

“控制系統(tǒng)”是指管理、命令、指導(dǎo)或調(diào)節(jié)其他裝置或系統(tǒng)的行為的裝置或一組裝置?？刂葡到y(tǒng)可以由軟件或硬件二者之一來實(shí)施，并且可以包括一個(gè)或數(shù)個(gè)模塊。

“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”是指具有計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)，其中，計(jì)算機(jī)包括具體實(shí)施操作計(jì)算機(jī)的軟件的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。

“網(wǎng)絡(luò)”是指由通信設(shè)施連接的若干計(jì)算機(jī)和關(guān)聯(lián)裝置。網(wǎng)絡(luò)涉及永久連接(諸如電纜)、臨時(shí)連接(諸如借助電話或其他通信鏈路進(jìn)行的連接)和/或無線連接。網(wǎng)絡(luò)的示例包括互聯(lián)網(wǎng)(諸如因特網(wǎng))、內(nèi)聯(lián)網(wǎng)、局域網(wǎng)(LAN)、廣域網(wǎng)(WAN)以及網(wǎng)絡(luò)(諸如因特網(wǎng)和內(nèi)聯(lián)網(wǎng))的組合。

“蒸氣壓縮系統(tǒng)”是指基于熱力學(xué)、流體力學(xué)和/或熱傳遞原理使用蒸氣壓縮循環(huán)來借助系統(tǒng)的部件移動(dòng)制冷劑的系統(tǒng)。

“HVAC”系統(tǒng)是指實(shí)施蒸氣壓縮循環(huán)的任意供熱通風(fēng)與空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)。HVAC系統(tǒng)涉及非常寬的一組系統(tǒng)，從向建筑物的居住者僅供給室外空氣的系統(tǒng)到僅控制建筑物溫度的系統(tǒng)，到控制溫度和濕度的系統(tǒng)。

“蒸氣壓縮系統(tǒng)的部件”是指蒸氣壓縮系統(tǒng)的具有可由控制系統(tǒng)控制的操作的任意部件。部件包括但不限于具有用于借助系統(tǒng)壓縮并泵送制冷劑的可變速度的壓縮機(jī)、用于在系統(tǒng)的高壓與低壓之間提供可調(diào)壓降的膨脹閥以及蒸發(fā)熱交換器和冷凝交換器，蒸發(fā)熱交換器和冷凝交換器各包含用于調(diào)節(jié)穿過熱交換器的空氣流速的變速風(fēng)機(jī)。

“蒸發(fā)器”是指蒸氣壓縮系統(tǒng)中的熱交換器，在該熱交換器中，穿過熱交換器的制冷劑在熱交換器的長度上蒸發(fā)，使得制冷劑在熱交換器出口處的比焓高于制冷劑在熱交換器入口處的比焓，并且制冷劑通常從液體變?yōu)闅怏w。在蒸氣壓縮系統(tǒng)中可以存在一個(gè)或更多個(gè)蒸發(fā)器。

“冷凝器”是指蒸氣壓縮系統(tǒng)中的熱交換器，在該熱交換器中，穿過熱交換器的制冷劑在熱交換器的長度上冷凝，使得制冷劑在熱交換器出口處的比焓低于制冷劑在熱交換器入口處的比焓，并且制冷劑通常從氣體變?yōu)橐后w。在蒸氣壓縮系統(tǒng)中可以存在一個(gè)或更多個(gè)冷凝器。

“一組控制信號(hào)”是指用于控制蒸氣壓縮系統(tǒng)的部件的操作的輸入的具體值。該組控制信號(hào)包括但不限于壓縮機(jī)的速度值、膨脹閥的位置、蒸發(fā)器中的風(fēng)機(jī)的速度以及冷凝器中的風(fēng)機(jī)的速度。

“設(shè)定點(diǎn)”是指系統(tǒng)(諸如蒸氣壓縮系統(tǒng))的旨在作為操作的結(jié)果而達(dá)到并維持的目標(biāo)值。術(shù)語“設(shè)定點(diǎn)”應(yīng)用于具體組的控制信號(hào)以及熱力學(xué)和環(huán)境參數(shù)的任意特定值。

“測量輸出”是指可以使用機(jī)器中的傳感器測量的信號(hào)(例如，房間氣溫)。

“控制輸入”是指可以由控制器操縱的信號(hào)(例如，壓縮機(jī)頻率)。

“性能度量”是指待優(yōu)化信號(hào)?？梢詼y量或估計(jì)所述性能度量。

附圖說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式的受極值尋找控制器(ESC)控制的蒸氣壓縮系統(tǒng)的部件和管路排列的圖。

圖2是用于一些實(shí)施方式的蒸氣壓縮系統(tǒng)中的部件和信號(hào)、傳感器以及控制器的構(gòu)造的圖。

圖3是蒸氣壓縮系統(tǒng)中的一個(gè)致動(dòng)器與性能度量之間的凸關(guān)系的曲線圖。

圖4A是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式的用于控制蒸氣壓縮系統(tǒng)的方法的框圖。

圖4B是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式的時(shí)變極值尋找控制器的框圖。

圖5是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式的用于確定估計(jì)參數(shù)的方法的圖。

圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)規(guī)劃的用于確定控制信號(hào)的方法的圖。

圖7A是用于使性能度量最小化問題的極值尋找方法的使用的示意圖。

圖7B是表示圖7A的控制器性能的比較的曲線圖。

圖7C是表示圖7A的控制器性能的比較的曲線圖。

具體實(shí)施方式

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式的受極值尋找控制器(ESC)控制的蒸氣壓縮系統(tǒng)100的部件和管路排列。蒸氣壓縮系統(tǒng)100包括部件(例如，可變設(shè)置致動(dòng)器)。部件可以包括位于室內(nèi)空間或區(qū)域140中的室內(nèi)單元熱交換器120、位于周圍環(huán)境中的室外單元熱交換器115、壓縮機(jī)110以及膨脹閥131。另外，系統(tǒng)100可以包括流動(dòng)換向閥112，該流動(dòng)換向閥112用于向室外單元熱交換器或室內(nèi)單元熱交換器二者之一引導(dǎo)離開壓縮機(jī)的高壓制冷劑，并且向壓縮機(jī)的入口引導(dǎo)從室內(nèi)單元熱交換器或室外單元熱交換器二者之一返回的低壓制冷劑。

在向室外單元熱交換器引導(dǎo)高壓制冷劑的情況下，室外單元熱交換器充當(dāng)冷凝器，并且室內(nèi)單元充當(dāng)蒸發(fā)器，其中，系統(tǒng)拒絕熱量從區(qū)域到周圍環(huán)境，這在操作上稱為“冷卻模式”。相反，在向室內(nèi)單元熱交換器引導(dǎo)高壓制冷劑的情況下，室內(nèi)單元熱交換器充當(dāng)冷凝器，并且室外單元熱交換器充當(dāng)蒸發(fā)器，這從周圍環(huán)境提取熱量并將該熱量泵送到區(qū)域中，這在操作上稱為“供熱模式”。

圖2示出了用于一些實(shí)施方式的蒸氣壓縮系統(tǒng)中的部件和信號(hào)、傳感器以及控制器的構(gòu)造。通常，反饋控制器205從傳感器210讀取信息，傳感器210被構(gòu)造為測量關(guān)于系統(tǒng)操作的各種溫度、壓力、流量速或其他信息。另外，反饋控制器可以設(shè)置有設(shè)定點(diǎn)206，該設(shè)定點(diǎn)206表示過程的測量信號(hào)或估計(jì)信號(hào)的期望值，諸如所期望區(qū)域溫度或所期望蒸發(fā)器過熱溫度。設(shè)定點(diǎn)信息可以來自恒溫器、無線遠(yuǎn)程控制器或內(nèi)部存儲(chǔ)或儲(chǔ)存介質(zhì)。反饋控制器然后計(jì)算致動(dòng)器命令，使得將一些所測量值驅(qū)動(dòng)到它們的設(shè)定點(diǎn)。這些致動(dòng)器命令可以包括室內(nèi)單元風(fēng)機(jī)速度命令220、室外單元風(fēng)機(jī)速度命令221、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速222、膨脹閥位置223以及流動(dòng)換向閥位置224。以該方式，控制器控制蒸氣壓縮系統(tǒng)的操作，使得對(duì)于給定熱負(fù)荷實(shí)現(xiàn)設(shè)定點(diǎn)值。

已經(jīng)示出，增大數(shù)量的可變致動(dòng)器已經(jīng)為蒸氣壓縮系統(tǒng)提供另外的操作靈活度。該另外靈活度已經(jīng)被開發(fā)為選擇滿足設(shè)定點(diǎn)且還使能耗最小化的致動(dòng)器命令的組合。另外，設(shè)定點(diǎn)本身可以被視為可以被開發(fā)為使能耗最小化的蒸氣壓縮系統(tǒng)的操作的靈活度。

極值尋找控制器400被構(gòu)造為接受蒸氣壓縮系統(tǒng)的能耗201的測量或估計(jì)240，并且對(duì)由反饋控制器提供的致動(dòng)器命令中的一個(gè)或更多個(gè)提供修改230、231，或者對(duì)設(shè)定點(diǎn)值206中的一個(gè)或更多個(gè)提供修改229。優(yōu)化性能度量需要估計(jì)表示控制信號(hào)值與性能度量值之間的關(guān)系的參數(shù)。

本發(fā)明的一些實(shí)施方式可以通過選擇設(shè)定點(diǎn)而不是直接操縱致動(dòng)器來優(yōu)化性能度量。通常，用于蒸氣壓縮系統(tǒng)的反饋控制器被設(shè)計(jì)為向設(shè)定點(diǎn)調(diào)節(jié)測量信號(hào)。設(shè)定點(diǎn)可以在蒸氣壓縮系統(tǒng)之外(諸如期望的室溫)，或者它們可以在內(nèi)部(諸如期望的壓縮機(jī)排出溫度或期望的蒸發(fā)器過熱溫度)。如果設(shè)定點(diǎn)與性能度量之間存在凸關(guān)系，則本發(fā)明的一些實(shí)施方式自動(dòng)選擇優(yōu)化性能度量的設(shè)定點(diǎn)。

圖3A示出了在用于控制蒸氣壓縮系統(tǒng)的一個(gè)或數(shù)個(gè)致動(dòng)器的控制信號(hào)(諸如室內(nèi)單元風(fēng)機(jī)速度350)與性能度量351之間映射的穩(wěn)態(tài)的凸關(guān)系355的曲線圖。例如，如果性能度量為蒸氣壓縮系統(tǒng)的能耗，則關(guān)系355示出了對(duì)于恒定溫度和熱負(fù)荷，存在使能耗370最小化的一組致動(dòng)器命令。

極值尋找控制器估計(jì)該映射的梯度或斜率，并且根據(jù)特定應(yīng)用沿使整體性能度量最大化或最小化二者之一的方向驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器。例如，如果初始風(fēng)機(jī)速度365大于最佳風(fēng)機(jī)速度，則極值尋找控制器估計(jì)風(fēng)機(jī)速度與性能度量之間的關(guān)系的梯度366，并且將風(fēng)機(jī)速度驅(qū)動(dòng)至更小值，直到達(dá)到最佳值370為止。

在一些實(shí)施方式中，表示控制信號(hào)值與性能度量值之間的關(guān)系的參數(shù)包括性能度量相對(duì)于控制信號(hào)的梯度(斜率)。本發(fā)明的一些實(shí)施方式基于以下認(rèn)識(shí)：不應(yīng)對(duì)于控制的各時(shí)間步長精確估計(jì)這種參數(shù)，但只要估計(jì)在控制的瞬態(tài)時(shí)間期間收斂到參數(shù)的真實(shí)值就可以近似這種參數(shù)。

這種認(rèn)識(shí)允許利用極值尋找控制的迭代性質(zhì)并遞歸且與控制信號(hào)的確定同時(shí)地更新參數(shù)。例如，極值尋找控制可以被形成為(i)所耦合參數(shù)的時(shí)變估計(jì)(ii)使用所估計(jì)參數(shù)來導(dǎo)引控制信號(hào)的控制規(guī)律。具體地，估計(jì)參數(shù)的當(dāng)前值可以基于估計(jì)參數(shù)的前一值以及性能度量的確定值與性能度量的測量值之間的誤差來確定。這樣，保證估計(jì)參數(shù)(例如，梯度)收斂到真實(shí)梯度，而不管噪聲如何。進(jìn)一步地，該方法不依賴平均，因此比通常使用的基于擾動(dòng)的方案更快地收斂。當(dāng)該估計(jì)的梯度用于控制規(guī)律時(shí)，控制信號(hào)被驅(qū)動(dòng)到優(yōu)化性能度量的值。

圖4A示出根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式的用于控制蒸氣壓縮系統(tǒng)的方法的框圖。該方法的步驟可以由處理器(例如，控制器400的處理器)來執(zhí)行，并且包括在控制k的當(dāng)前時(shí)間步長時(shí)，使用對(duì)于控制的前一時(shí)間步長所確定的估計(jì)參數(shù)的前一值472和控制信號(hào)的前一值471來確定470蒸氣壓縮系統(tǒng)的性能度量值475。

所估計(jì)參數(shù)的值表示控制信號(hào)的值與性能度量的值之間的關(guān)系。在一個(gè)實(shí)施方式中，估計(jì)參數(shù)為凸關(guān)系的梯度(例如，凸關(guān)系355的梯度366)的估計(jì)。

在另一個(gè)實(shí)施方式中，將對(duì)多個(gè)致動(dòng)器的命令收集在向量中，并且通過同時(shí)修改對(duì)多個(gè)致動(dòng)器的命令來優(yōu)化性能度量。估計(jì)參數(shù)在該實(shí)施方式中然后表示凸關(guān)系的梯度的向量，其中，向量中的各項(xiàng)表示性能度量相對(duì)于特定致動(dòng)器的梯度。進(jìn)行對(duì)極值尋找算法中的項(xiàng)的合適修改，以確保多維計(jì)算是合適的。

各種實(shí)施方式基于以下認(rèn)識(shí)：當(dāng)估計(jì)輸出追蹤測量輸出時(shí)，估計(jì)梯度被收斂到真實(shí)梯度。因此，該方法還包括以下步驟：基于估計(jì)參數(shù)的前一值475和性能度量的確定值475與性能度量的測量值476之間的誤差481確定480估計(jì)參數(shù)的當(dāng)前值485。例如，確定估計(jì)參數(shù)的當(dāng)前值，以減小誤差。

接著，該方法包括以下步驟：基于估計(jì)參數(shù)485的當(dāng)前值確定490控制信號(hào)的當(dāng)前值495，使得優(yōu)化性能度量，例如，降低系統(tǒng)的能耗。

圖4B是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的時(shí)變極值尋找控制器的框圖?？刂破靼〞r(shí)變參數(shù)估計(jì)器，該估計(jì)器用于確定表示控制信號(hào)的值與性能度量的值之間的關(guān)系的參數(shù)(例如，估計(jì)梯度430)；以及控制規(guī)律單元，該控制規(guī)律單元用于基于估計(jì)梯度確定控制信號(hào)，以提高性能度量。

控制器例如從傳感器接收離散時(shí)間測量或接收性能度量的估計(jì)y_k 440。可選地，可以預(yù)調(diào)節(jié)401或重構(gòu)表示性能度量的信號(hào)。預(yù)調(diào)節(jié)操作可以包括用前一測量y_k-1.減去當(dāng)前測量y_k，以獲得測量的變化Δy_k 402。

單獨(dú)地，還可以根據(jù)估計(jì)例程的詳情預(yù)調(diào)節(jié)403或重構(gòu)控制信號(hào)u_k 450(例如，應(yīng)用于受控系統(tǒng)的輸入或提供給反饋控制器的設(shè)定點(diǎn))。與測量預(yù)調(diào)節(jié)相同，輸入預(yù)調(diào)節(jié)可以包括用前一輸入u_k-1.減去當(dāng)前輸入u_k，以獲得輸入的變化Δu_k＝_k404。

使用輸入的變化，如下使用預(yù)測405操作計(jì)算所估計(jì)的輸出變化：假定系統(tǒng)的真實(shí)梯度為時(shí)變參數(shù)θ_k。所估計(jì)的輸出變化406根據(jù)與輸入的變化有關(guān)，其中，表示所估計(jì)的梯度。

時(shí)變參數(shù)估計(jì)器的剩余部件被設(shè)計(jì)為通過操縱所估計(jì)梯度來向所測量的輸出變化驅(qū)動(dòng)所估計(jì)的輸入變化。為了獲得誤差信號(hào)410，從所測量的輸出變化Δy_k402減去所估計(jì)的輸出變化406。該誤差信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)遞歸參數(shù)估計(jì)例程415，并且獲得要在下一時(shí)間步長期間使用的梯度420的新估計(jì)。

隨著朝向最佳操作點(diǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，梯度大小(和實(shí)施方式的多變量版本中的方向)變化，并且在估計(jì)例程中解釋該時(shí)變性質(zhì)。遞歸參數(shù)估計(jì)例程不使用平均來獲得梯度的估計(jì)。出于該原因，到真實(shí)梯度的收斂比在基于擾動(dòng)的極值尋找方法中進(jìn)行得更快。

除了在確定所估計(jì)輸出中的作用，所估計(jì)梯度430還用于計(jì)算極值尋找控制器的控制規(guī)律部件中的控制動(dòng)作460。使用所估計(jì)的梯度，確定控制規(guī)律，使得輸入朝向最佳點(diǎn)(即，朝向零驅(qū)動(dòng)梯度的點(diǎn))驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。另外，可以將正弦擾動(dòng)455添加到輸入，以提供對(duì)系統(tǒng)的充足激勵(lì)，使得可以估計(jì)梯度。下面提供關(guān)于計(jì)算控制動(dòng)作460的更多細(xì)節(jié)。

在一些實(shí)施方式中，信號(hào)可以為向量值，并且系數(shù)可以為標(biāo)量，確保多維計(jì)算的向量或合適維數(shù)的矩陣是適合的。以該方式，不同實(shí)施方式可以同時(shí)優(yōu)化蒸氣壓縮系統(tǒng)致動(dòng)器的多樣性。

參數(shù)估計(jì)

圖5是根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式的用于遞歸地更新估計(jì)參數(shù)(例如，梯度415)的方法的框圖。參數(shù)估計(jì)器的目的是通過如下方式獲得用于梯度430的估計(jì)：遞歸地更新協(xié)方差矩陣516，且使用該矩陣來：(i)更新增益矩陣M_k 501，增益矩陣M_k 501乘以誤差信號(hào)e_k且在時(shí)間503上積分；以及(ii)更新增益矩陣R_k 511，增益矩陣R_k 511被低通濾波513，以在當(dāng)前時(shí)間步長514獲得協(xié)方差矩陣的估計(jì)，所述協(xié)方差矩陣的估計(jì)被延遲515，以便用于下一迭代中。從前一迭代延遲的值能在延遲塊516的輸出端獲得，該延遲塊516用于更新協(xié)方差矩陣516，并且遞歸循環(huán)重復(fù)。

因此，本實(shí)施方式基于控制信號(hào)、遺忘因子以及時(shí)標(biāo)分離參數(shù)來遞歸地更新協(xié)方差矩陣，并且基于估計(jì)參數(shù)的前一值與協(xié)方差矩陣確定估計(jì)參數(shù)的當(dāng)前值。

在一些實(shí)施方式中，協(xié)方差矩陣516為控制信號(hào)_k的變化的函數(shù)。遺忘因子解釋估計(jì)參數(shù)的前一值與當(dāng)前值之間的變化。同樣，時(shí)標(biāo)分離參數(shù)確保用于確定估計(jì)參數(shù)的時(shí)段慢于蒸氣壓縮系統(tǒng)的主時(shí)間常數(shù)。

低通濾波操作513的替代解釋是具有遺忘因子α的離散時(shí)間積分器，該離散時(shí)間積分器允許參數(shù)估計(jì)方法估計(jì)時(shí)變信號(hào)。遺忘因子α是常數(shù)，值在0和1之間。例如，遺忘因子的值基于所期望的收斂速率來選擇。接近1的遺忘因子α的值用于期望時(shí)變參數(shù)快速變化的系統(tǒng)，相反，接近0的遺忘因子α的值用于期望時(shí)變參數(shù)緩慢變化的系統(tǒng)。

增益矩陣M_k 501可以根據(jù)來確定，并且基于協(xié)方差矩陣和輸入變化_k的新值且還使用遺忘因子α和時(shí)標(biāo)分離參數(shù)ε在各時(shí)間步長更新。當(dāng)用于M_k 501、離散時(shí)間積分器503以及單個(gè)步長延遲425的運(yùn)算被展開到用于420的方程中時(shí)，產(chǎn)生的方程提供遞歸梯度更新計(jì)算：其中，e_k為之前描述的誤差信號(hào)。

用于R_k 511的方程被定義為：并且，類似于M_k，基于協(xié)方差矩陣和輸入變化_k的新值且還使用遺忘因子α和時(shí)標(biāo)分離參數(shù)ε在各時(shí)間步長更新該方程。當(dāng)用于R_k511、離散時(shí)間低通濾波器513以及單個(gè)步長延遲515的運(yùn)算被展開到用于514的方程中時(shí)，時(shí)變估計(jì)器的遞歸特性變得清楚：

控制規(guī)律計(jì)算

圖6示出了用于計(jì)算控制動(dòng)作460的方法的框圖。估計(jì)參數(shù)的當(dāng)前值(例如，估計(jì)梯度430)乘以適應(yīng)增益k_g和時(shí)標(biāo)分離參數(shù)ε601。該運(yùn)算的結(jié)果被加到可選抖動(dòng)信號(hào)455，該抖動(dòng)信號(hào)通常被實(shí)施為正弦。然后將產(chǎn)生的信號(hào)傳到離散時(shí)間積分器602，以獲得下一時(shí)間步長u_k+1的控制值，并且傳到單個(gè)步進(jìn)延遲603，以獲得當(dāng)前時(shí)間步長u_k的輸入。

控制規(guī)律被設(shè)計(jì)為基于估計(jì)梯度沿使性能度量最大化或最小化的方向驅(qū)動(dòng)輸入。如果目的是使功耗最小化，并且當(dāng)前時(shí)間步長的估計(jì)梯度為正(例如，時(shí)間步長k時(shí)的當(dāng)前風(fēng)機(jī)速度處于圖3中的點(diǎn)365處)，那么當(dāng)前致動(dòng)器值大于最佳值且其值應(yīng)由控制器減小。為了最小化目的，k_g被選擇為負(fù)，因此在該示例中向離散時(shí)間積分器提供負(fù)值，并且結(jié)果為控制動(dòng)作的平均值如所期望的隨著時(shí)間而降低。

因此，如果性能度量為蒸氣壓縮系統(tǒng)的功耗，那么如果估計(jì)參數(shù)的當(dāng)前值為正，則一些實(shí)施方式將適應(yīng)增益選擇為負(fù)數(shù)，并且如果估計(jì)參數(shù)的當(dāng)前值為負(fù)，則將適應(yīng)增益選擇為正數(shù)。

一個(gè)實(shí)施方式將用于蒸氣壓縮系統(tǒng)的時(shí)變極值尋找控制器表示為如下的一組離散時(shí)間方程式。

時(shí)變梯度估計(jì)器方程采取以下形式：

$\mathrm{\Δ}{\hat{y}}_k={\mathrm{\φ}}_k^T{\widehat{\mathrm{\θ}}}_k$

${\mathrm{\Σ}}_{k+1}^{-1}={\mathrm{\Σ}}_k^{-1}+\∈(\frac{1}{\mathrm{\α}}-1){\mathrm{\Σ}}_k^{-1}-\frac{\∈}{{\mathrm{\α}}^2}{\mathrm{\Σ}}_k^{-1}{\mathrm{\φ}}_k{(1+\frac{1}{\mathrm{\α}}{\mathrm{\φ}}_k^T{\mathrm{\Σ}}_k^{-1}{\mathrm{\φ}}_k)}^{-1}{\mathrm{\φ}}_k^T{\mathrm{\Σ}}_k^{-1}$

${\widehat{\mathrm{\θ}}}_{k+1}={\widehat{\mathrm{\θ}}}_k+\frac{\∈}{\mathrm{\α}}{\Σ}_k^{-1}{\mathrm{\φ}}_k{(1+\frac{1}{\mathrm{\α}}{\mathrm{\φ}}_k^T{\Σ}_k^{-1}{\mathrm{\φ}}_k)}^{-1}\left(e_k\right)\mathrm{..}$

控制規(guī)律方程為

可選地，射影算子可以用于計(jì)算該射影算子將的計(jì)算值約束在預(yù)定可行一組估計(jì)參數(shù)θ₀內(nèi)。例如，人們可以確定全部估計(jì)梯度必須小于某一上限L₁的先驗(yàn)，在這種情況下，可行的一組估計(jì)參數(shù)為在這種情況下，用于的方程變?yōu)?/p>

示例

圖7A示出了使用極值尋找方法用于使包括一階線性差分方程720和靜態(tài)輸出非線性725的簡單漢默斯坦(Hammerstein)系統(tǒng)的性能度量最小化問題的示意圖?？刂破?10生成被提供給優(yōu)化目標(biāo)730的控制信號(hào)701，并且接收性能度量703的測量值。除了假定輸入與輸出之間的關(guān)系為凸且性能度量y 703的最佳值最小之外，控制器沒有漢默斯坦(Hammerstein)系統(tǒng)的模型或不明確知道其最佳值的性質(zhì)。

該系統(tǒng)730的方程由給出，該方程在時(shí)具有單個(gè)最佳點(diǎn)。

圖7B和圖7C示出了表示控制器710從初始輸入值u＝2開始且100個(gè)步長之后啟動(dòng)(ON)的性能的比較的曲線圖。傳統(tǒng)控制器選擇將系統(tǒng)輸出750在大約4000個(gè)步長中驅(qū)動(dòng)到它的最佳值770的輸入740(由于傳統(tǒng)方法的緩慢速率，圖7B和圖7C中無法示出最終的收斂)，而一些實(shí)施方式的時(shí)變ESC選擇將系統(tǒng)輸出755在大約250個(gè)步長中驅(qū)動(dòng)到它的最佳值770的輸入745。

本發(fā)明的上述實(shí)施方式可以以大量方式中的任一方式來實(shí)施。例如，實(shí)施方式可以使用硬件、軟件或其組合來實(shí)施。當(dāng)在軟件中實(shí)施時(shí)，可以在任意合適的處理器或處理器集合上執(zhí)行軟件代碼，無論處理器或處理解或處理器集合是設(shè)置在單個(gè)計(jì)算機(jī)中還是分布在多個(gè)計(jì)算機(jī)之間。這種處理器可以被實(shí)施為集成電路，一個(gè)或更多個(gè)處理器在集成電路部件中。但是，處理器可以使用任何合適格式的電路來實(shí)施。

同樣，這里概述的各種方法或處理器可以被編碼為可以在采用各種操作系統(tǒng)或平臺(tái)中的任意一個(gè)的一個(gè)或更多個(gè)處理器上執(zhí)行。另外，這種軟件可以使用若干合適編程語言和/或編程或腳本工具中的任一來書寫，并且還可以被編譯為可執(zhí)行的機(jī)器語言代碼或在框架或虛擬機(jī)上執(zhí)行的中間代碼。通常，在各種實(shí)施方式中，可以根據(jù)期望組合或分配程序模塊的功能。

同樣，本發(fā)明的實(shí)施方式可以具體實(shí)施為已提供示例的方法。被執(zhí)行為方法的一部分的動(dòng)作可以以任意合適的方式來排序。因此，實(shí)施方式可以被構(gòu)建為在實(shí)施方式中，動(dòng)作以不同于所例示的順序來執(zhí)行，這可以包括同時(shí)執(zhí)行一些動(dòng)作，即使該動(dòng)作在示例性實(shí)施方式中被示出為順序動(dòng)作。