DE112008001836T5 - Extremwertregelung mit Stellglied-Sättigungskontrolle - Google Patents

Extremwertregelung mit Stellglied-Sättigungskontrolle Download PDF

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DE112008001836T5
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DE112008001836T
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Yaoyu Franklin Li
John E. Glendale Seem
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Johnson Controls Technology Co
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Johnson Controls Technology Co
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Abstract

Ein Verfahren zur Optimierung eines Kontrollverfahrens für ein Stellglied, wobei das Verfahren umfasst:
Ausführen des Kontrollverfahrens unter Verwendung einer Extremwertregelungsstrategie; und
Verwenden einer elektronischen Schaltung, um einen Stellglied-Sättigungszustand der Extremwertregelungsstrategie zu kompensieren.

Description

  • QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Vorteil der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 60/950,314, eingereicht am 17. Juli 2007, die hierein durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit mit umfasst ist. Diese Anmeldung umfasst hiermit durch Bezugnahme ausdrücklich die Gesamtheit der: US-Patentanmeldung Nr. 11/699,859, eingereicht am 30. Januar 2007, mit dem Titel „Sensor-Free Optimal Control of Air-Side Economizer;” und US-Patentanmeldung Nr. 11/699,860, eingereicht am 30. Januar 2007, mit dem Titel „Adaptive Real-Time Optimization Control.”
  • HINTERGRUND
  • Die vorliegende Anmeldung betrifft allgemein Extremwertregelungsstrategien. Die vorliegende Anmeldung betrifft insbesondere die Regulierung, über Extremwertregelung, der Menge an Luft, die durch ein Heiz-, Lüftungs-, und Klimaanlage(HVAC)-System strömt, um die in einem Klimagerät (AHU) erforderliche Menge an mechanischem Erwärmen und Kühlen zu reduzieren.
  • Extremwertregelung (ESC) ist eine Klasse von sich selbst optimierenden Kontrollstrategien, die dynamisch nach unbekannten und/oder zeitlich variierenden Eingaben eines Systems zur Optimierung eines bestimmten Leistungsindex suchen können. Sie kann als eine dynamische Realisierung des Gradientensuchens durch die Verwendung von Dithersignalen angesehen werden. Der Gradient der Systemausgabe bezüglich der Systemeingabe wird typischerweise durch leichtes Stören des Systembetriebs und durch Anwenden einer Demodulationsmessung erhalten. Die Optimierung von Systemleistung kann durch Herunterfahren des Gradienten auf Null durch Verwendung eines Integrators in dem geschlossenen Schleifensystem erhalten werden. Die ESC ist eine Nichtmodell-basierte Kontrollstrategie, d. h., dass ein Modell für das kontrollierte System für ESC nicht notwendig ist, um das System zu optimieren.
  • Typische ESCs verwenden eine geschlossene Schleifenkonfiguration, in der ein Gradient zwischen den Eingaben an eine Anlage und der Systemleistung berechnet wird. Dann wird in dem geschlossenen Schleifensystem ein Integrator verwendet, um den Gradienten auf Null zu fahren. Ein nachteiliges als „integrator windup” bekanntes Phenomän kann auftreten, wenn der bestimmte optimale Bezugspunkt für das System mathematisch außerhalb des Betriebsbereichs für das Stellglied liegt, was dazu führt, dass die optimalen Einstellungen für das Stellglied einer Betriebsgrenze entsprechen. Wenn sich das Stellglied nicht in die optimale, durch die ESC-Schleife bestimmt Einstellung bewegen kann, wird gesagt, dass ein Zustand existiert, der als Stellglied-Sättigung bekannt ist. Beispielsweise kann der optimale Energieverbrauch für ein AHU, das einen Extremwertregler verwendet, einer Schieberöffnung von weniger als 0% entsprechen, eine physikalische Unmöglichkeit. Wenn ein Stellglied-Sättigungszustand existiert, nimmt die Integrator-Ausgabe kontinuierlich zu, bis sich das Zeichen für die Eingabe in den Integrator ändert.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung eines Kontrollprozesses für ein Stellglied. Das Verfahren umfasst das Durchführen des Kontrollprozesses unter Verwendung einer Extremwertregelungsstrategie. Das Verfahren umfasst weiterhin die Verwendung einer elektronischen Schaltung zur Kompensation eines Stellglied-Sättigungszustands der Extremwertregelungsstrategie.
  • Die Erfindung betrifft auch einen Regler zur Kontrolle eines Stellglieds. Der Regler umfasst einen Prozesskreis, der zum Betrieb der Anlage unter Verwendung einer Extremwertregelungsstrategie konfiguriert ist. Der Prozesskreis ist weiterhin zur Kompensation eines Stellglied-Sättigungszustands der Extremwertregelungsstrategie konfiguriert.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin einen Regler, der zur Verwendung mit einem Klimagerät mit einem Temperaturregler und einem durch ein Stellglied betätigten Schieber konfiguriert ist. Der Regler umfasst einen Prozesskreis, der zur Bereitstellung eines ersten Kontrollsignals an den Temperaturregler konfiguriert ist, wobei das erste Kontrollsignal auf einem Sollwert basiert. Der Prozesskreis ist weiterhin zur Bereitstellung eines zweiten Kontrollsignals für das Stellglied konfiguriert, wobei das zweite Kontrollsignal durch eine Extremwertreglungsschleife bestimmt ist. Weiterhin ist der Prozesskreis noch zur Einstellung der Extremwertregelungsschleife zur Kompensation eines Stellglied-Sättigungszustands konfiguriert.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Die Offenbarung wird aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Figuren, wobei gleiche Bezugsziffern sich auf gleiche Elemente beziehen, völlig verstanden. Es zeigen:
  • 1 eine perspektivische Ansicht eines Gebäudes mit einem HVAC-System gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
  • 2 ein schematisches Diagramm eines Umwelt-Kontrollsystems mit einem AHU gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
  • 3 ein Zustandsdiagramm eines AHU unter Verwendung einer Extremwertregelungsstrategie gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
  • 4A ein Blockdiagramm einer zur Begrenzung der Auswirkungen eines Stellglied-Sättigungszustands konfigurierten Extremwert-Regelungsschleife gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
  • 4B ein Blockdiagramm einer Extremwert-Reglungsschleife mit einer Vielzahl von Messungen, und konfiguriert zur Begrenzung der Auswirkungen eines Stellglied-Sättigungszustands, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
  • 5A ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Begrenzung der Auswirkungen eines Stellglied-Sättigungszustands in einer Extremwert-Reglungsschleife durch Unterscheiden zwischen einem Zustand, in dem das Stellglied gesättigt ist, und einem Zustand, in dem das Stellglied nicht gesättigt ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
  • 5B ein Flussdiagramm für ein Verfahren zur Verhinderung und/oder der Begrenzung der Auswirkungen eines Stellglied-Sättigungszustands in einer Extremwertregelungsschleife, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
  • 5C ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Begrenzung der Auswirkungen eines Stellglied-Sättigungszustands einer Extremwertregelungsschleife unter Verwendung von Rückkopplung aus dem Stellglied, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
  • 6 ein Diagramm einer Extremwertregelungsschleife, die mit einem Rückkopplungskreis konfiguriert ist, um die Auswirkungen eines Stellglied-Sättigungszustands zu begrenzen, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
  • 7 ein Diagramm einer Extremwertregelungsschleife zur Kontrolle eines AHU, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
  • 8 ein Diagramm für ein Kontrollsystem eines AHU, das zur Begrenzung der Auswirkungen eines Stellglied-Sättigungszustands konfiguriert ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
  • 9 ein Blockdiagramm für den in 8 gezeigten Regler, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
  • 10 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Begrenzung der Auswirkungen eines Stellglied-Sättigungszustands in einer Extremwertregelungsschleife für ein AHU, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
  • 11A ein Diagramm einer ESC-Schaltungsschleife, die zur Begrenzung der Auswirkungen eines Stellglied-Sättigungszustands konfiguriert ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform; und
  • 11B ein Diagramm einer selbstangetriebenen ESC-Schleife, die zur Begrenzung der Auswirkungen eines Stellglied-Sättigungszustands konfiguriert ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Vor dem Hinwenden zu den Figuren, die die beispielhaften Ausführungsformen im Einzelnen erläutern, sollte es verstanden werden, dass die Anmeldung nicht auf die Einzelheiten oder die in der Beschreibung ausgeführten oder in den Figuren erläuterten Methodenlehre beschränkt ist. Es sollte auch verstanden werden, dass die Terminologie nur dem Zweck der Beschreibung dient, und sie sollte nicht als einschränkend betrachtet werden.
  • Wird nun allgemein auf die Figuren Bezug genommen, so ist ein Regler zur Kontrolle einer Anlage mit einem Stellglied unter Verwendung einer Extremwertregelungsstrategie konfiguriert. Die Extremwertregelungsstrategie ist zur Kompensation der Auswirkungen eines Stellglied-Sättigungszustands konfiguriert.
  • 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Gebäudes 5, mit einem HVAC-System, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Wie erläutert, besitzt Gebäude 5 ein Klimagerät (AHU) 10. AHU 10 ist Teil eines HVAC-Systems und wird verwendet, um die Umgebung von einem Raum 12 in Gebäude 5 zu konditionieren, zu kühlen, zu erwärmen und/oder zu regeln. Das Kontrollsystem für das AHU 10 verwendet die Extremwertregelung zur Bereitstellung einer wirtschaftlichen Funktionalität durch Optimieren des Stroms von Außenluft in AHU 10, um den Energieverbrauch von AHU 10 zu minimieren. Gemäß verschiedenen anderen beispielhaften Ausführungsformen kann Gebäude 5 mehrere AHUs enthalten. Jedes AHU kann einer Zone (z. B. Raum 12, einer Reihe von Räumen, einem Teil von einem Raum, einem Stockwerk, einer Reihe von Stockwerken, einem Teil von einem Stockwerk, etc.) von Gebäude 5, zu dessen Beeinflussung das AHU konfiguriert ist (z. B. zum Konditionieren, Kühlen, Erwärmen, Belüften, etc.), zugeordnet sein. Jede einem AHU zugeordnete Zone kann weiterhin durch die Verwendung von variablen Luftvolumenboxen oder anderen HVAC-Konfigurationen unterteilt sein.
  • Wird nun auf 2 Bezug genommen, so ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform, ein schematisches Diagramm eines Umwelt-Kontrollsystems 400 mit einem AHU 430 gezeigt. Umwelt-Kontrollsystem 400 umfasst, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform, eine Prozessstation 402, eine Fernsteuerung 404 (z. B. eine Network Automation Engine (NAE)), und einen AHU-Regler 410, der die Extremwertregelung verwendet. AHU-Regler 410 ist mit der Fernsteuerung 404 über das Verbindungsglied 420 gekoppelt. Die Prozessstation 402 und die Fernsteuerung 404 sind über einen Verbindungsbus 406 gekoppelt. Verbindungsbus 406 kann mit zusätzlichen Abschnitten oder zusätzlichen Reglern sowie mit anderen Komponenten gekoppelt sein, die in dem Umwelt-Kontrollsystem 400 verwendet werden. Umwelt-Kontrollsystem 400 kann ein Gebäude-Automationssystem, wie das System der Marke METASYS® sein, das von der Firma Johnson Controls, Inc. hergestellt wird. Gemäß anderen beispielhaften Ausführungsformen kann System 400 ein Einheitssystem mit einem AHU oder einem anderen Schiebersystem sein.
  • Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist der Regler 410 mit einem Klimagerät, wie AHU 430, operativ verknüpft. Regler 410 ist zum Betrieb als endlicher Automat mit den in 3 beschriebenen drei Zuständen konfiguriert, wobei AHU 430, wenn in Zustand 503, die Extremwert-Regelungslogik verwendet. Ein Übergang findet von einem Zustand zu einem anderen statt, wie durch die Pfeile angedeutet, wenn ein bestimmter Zustand oder eine Reihe von Zuständen eintritt. Bei einer beispielhaften Ausführungsform werden die Betriebsdaten von AHU 430 geprüft, wenn sich Regler 410 in einem gegebenen Zustand befindet, um zu bestimmen, ob ein definierter Übergangszustand existiert. Ein Übergangszustand ist eine Funktion des vorliegenden Zustands und kann auch als ein bestimmtes Zeitintervall, ein Temperaturzustand, ein Luftzufuhrzustand und/oder ein Luftrücklaufzustand bezeichnet werden.
  • Bei einer beispielhaften Ausführungsform tritt ein Übergangszustand auf, wenn Regler 410 für einen vorbestimmten Zeitraum in einen gegebenen Betriebsmodus verbleibt, ohne dass entsprechend eine Ausgabe, entsprechend einem Sollwert, der für den Regler 410 durch die Fernsteuerung 404 bereitgestellt wird, bereitgestellt wird. Beispielsweise tritt ein Übergangszustand in einem mechanischen Kühlmodus auf, wenn das System nicht in der Lage ist, eine Ausgabe von Luft bei der gewünschten Temperatur bereits innerhalb einer annehmbaren Zeitspanne bereitzustellen.
  • In Zustand 501 wird Ventil 442 zum Erwärmen einer Spule 440 kontrolliert, um den Fluss von heißem Wasser, Dampf oder Elektrizität zum Erwärmen der Spule 440 zu modulieren, um dadurch die Menge an Energie, die auf die Luft übertragen wird, zu kontrollieren. Dies hält die Zufuhrluft-Temperatur auf dem Sollwert aufrecht. Die Schieber 460, 462 und 464 sind für eine minimale Strömungsgeschwindigkeit von Außenluft positioniert, und es erfolgt kein mechanisches Kühlen (d. h. das Kühlwasserventil 446 ist geschlossen). Die minimale Strömungsgeschwindigkeit von Außenluft ist die geringste Menge, die für eine zufriedenstellende Belüftung des Zufuhrschachts 490 erforderlich ist. Beispielsweise sind 20% der dem Schacht zugeführten Luft Außenluft. Die Bedingung für einen Übergang in den Zustand 502 ist durch das Aufheiz-Kontrollsignal definiert, das in dem „Keine-Heizung-Modus” verbleibt. Ein solcher Modus tritt auf, wenn Ventil 442 der Heizspule 440 für einen festgelegten Zeitraum geschlossen bleibt (d. h. das Erwärmen der zugeführten Luft ist während dieses Zeitraums nicht erforderlich). Dieser Übergangszustand kann das Ergebnis davon sein, dass die Außentemperatur bis zu einem Punkt ansteigt, an dem die Luft aus dem Zufuhrschachts 490 kein mechanisches Erwärmen benötigt.
  • Im Zustand 502 werden die Schieber 460, 462 und 464 allein zur Kontrolle der Zufuhrlufttemperatur in Zufuhrschacht 490 verwendet (d. h. kein mechanisches Erwärmen oder Kühlen). In diesem Zustand wird die Menge an Außenluft, die mit der Rücklaufluft aus dem Rücklaufschacht 492 vermischt wird, reguliert, um die über Zufuhrschacht 490 zugeführte Luft zu erwärmen oder zu kühlen. Da nicht erwärmt oder mechanisch gekühlt werden kann, bewirkt das Unvermögen, die Sollwert-Temperatur zu erreichen, einen Übergang nach entweder Zustand 501 oder 503. Es findet ein Übergang nach Zustand 501 zum mechanischen Erwärmen statt, wenn entweder für einen bestimmten Zeitraum der Zustrom von Außenluft geringer ist als derjenige, der für eine ordnungsgemäße Belüftung erforderlich ist, oder wenn der Außenluft-Einlassschieber 464 für einen gegebenen Zeitraum in der minimalen Öffnungsposition verbleibt. Der endliche Automat führt einen Übergang von Zustand 502 zu Zustand 503 zum mechanischen Kühlen durch, wenn die Schieberkontrolle eine zeitlang in der maximalen Außenluftposition verbleibt (z. B. 100% der von dem AHU zugeführten Luft ist Außenluft).
  • In Zustand 503 wird Kühlwasserventil 446 für die Kühlspule 444 kontrolliert, um den Strom von Kühlwasser zu modulieren und um die Menge an von dieser Luft abgeführten Energie zu kontrollieren. Zu diesem Zeitpunkt wird die Extremwertregelung zur Modulierung der Schieber 460, 462 und 464 verwendet, um eine optimale Menge an Außenluft in AHU 430 einzubringen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform findet ein Übergang zu Zustand 502 satt, wenn das mechanische Kühlen nicht für einen gegebenen Zeitraum erfolgt (d. h. die Kühlkontrolle ist im Nichtkühlmodus gesättigt).
  • Unter Bezugnahme auf 3 wird in Zustand 501 das Erwärmen mit der zur Belüftung erforderlichen minimalen Außenluft gestartet. Bei kaltem Klima ist der Initialzustand der Kontrolle ein Erwärmen in Zustand 501 mit minimaler Außenluft. Das System startet in Zustand 501, um die Möglichkeit zu minimieren, dass Kühlspule 444 und Heizspule 440 einfrieren könnten. Zustand 501 kontrolliert die Zufuhrlufttemperatur durch Modulieren der von der Heizspule 440 zugeführten Wärmemenge. Die Schieber 460, 462 und 464 werden zur minimalen Belüftung kontrolliert. Bei einer beispielhaften Ausführungsform erfolgt ein Übergang zu Zustand 502, nachdem das Heizkontrollsignal für einen feststehenden Zeitraum in seinem Minimalzustand (Nichtheizposition) gewesen ist.
  • In Zustand 502 verwendet das System Außenluft, um freies Kühlen für das System bereitzustellen. Zustand 502 kontrolliert die Zufuhrlufttemperatur durch Modulieren der Schieber 460, 462 und 464, um das Mischen von Außenluft mit Rücklaufluft einzustellen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform tritt ein Übergang zu Zustand 501 auf, nachdem die Schieber 460, 462 und 464 für einen feststehenden Zeitraum auf einer minimalen Belüftungsanforderung gewesen sind oder nachdem sich das Schieber-Kontrollsignal für einen feststehenden Zeitraum auf seinem Minimalwert befindet. Bei einer beispielhaften Ausführungsform erfolgt ein Übergang zu Zustand 503, nachdem die Schieber 460, 462 und 464 kontrolliert wurden, um für einen feststehenden Zeitraum 100% Außenluft zuzuführen.
  • Im Zustand 503 verwendet das System mechanisches Kühlen mit einer Extremwertregelungsstrategie, um die Schieber 460, 462 und 464 zu kontrollieren. Zustand 503 kontrolliert die Zufuhrlufttemperatur durch Modulieren der Fließgeschwindigkeit von Kühlwasser oder Kühlmittel durch die Kühlspule 444. Eine Extremwertregelungsstrategie wird zur Bestimmung der Positionen der Schieber 460, 462 und 464 verwendet, um die an mechanischem Kühlen erforderliche Menge zu minimieren. Ein Stellglied-Sättigungszustand kann unter Verwendung einer Standard-Extremwertregelungsstrategie auftreten, wenn die optimale Schieberöffnung für einen Schieber einer physikalischen Grenze beim Betrieb des Schiebers entspricht. Regler 410 wurde so angepasst, um die nachteiligen Auswirkungen eines Stellglied-Sättigungszustands zu begrenzen. Die Lüftungsanforderungen werden in Zufuhrschacht 490 auf eine Untergrenze für die Menge an Außenluft eingestellt. Bei einer beispielhaften Ausführungsform tritt ein Übergang zu Zustand 502 auf, nachdem das Kontrollsignal zum Kühlen für einen festgelegten Zeitraum im Befehlszustand Nichtkühlen gewesen ist.
  • Unter Bezugnahme auf 4A ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform, ein Blockdiagramm für eine ESC-Schleife 600 gezeigt, der einen Stellglied-Sättigungszustand kompensiert. Ein Regler 602 mit einer Extremwertregelungslogik modifiziert kontinuierlich seine Ausgabe als Antwort auf die sich verändernde Messung 621, die von Anlage 624 über die Eingabeschnittstelle 604 empfangen wird. Eine Anlage ist in der Regelungstheorie die Kombination von einem Verfahren und von einer oder mehreren mechanisch kontrollierten Ausgaben. Die Messungen von der Anlage können aus Sensoren empfangene Informationen über den Zustand des Systems oder an andere Vorrichtungen des Systems gesendete Kontrollsignale sein. Die Eingabeschnittstelle 604 stellt die Messung 621 für die Leistungsgradientensonde 612 bereit, um den Leistungsgradienten nachzuweisen. Der Stellglied-Sättigungskompensator 614 stellt dann die ESC-Schleife 600 auf Kompensation ein, wenn in der Anlage 624 ein Stellglied-Sättigungszustand vorliegt. Der manipulierte Variablen-Aktualisierer 616 erzeugt auf der Basis des Leistungsgradienten und einer von dem Stellglied-Sättigungskompensator 614 bereitgestellten Kompensation eine aktualisierte manipulierte Variable 620. Bei einer beispielhaften Ausführungsform umfasst der Variablen-Aktualisierer 616 einen Integrator, um den Leistungsgradienten gegen Null zu fahren. Der manipulierte Variablen-Aktualisierer 616 stellt der Anlage 624 dann die über die Ausgabeschnittstelle 606 aktualisierte manipulierte Variable 620 bereit.
  • Unter Bezugnahme auf 4B ist gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ein Blockdiagramm einer Extremwertregelungsschleife mit einer Vielzahl von Messungen und zur Begrenzung der Auswirkungen einer Stellglied-Beschränkung konfiguriert gezeigt. Die ESC-Schleife 601 enthält viele der Funktionen und Strukturen der ESC-Schleife 600 (4A), verwendet allerdings eine Vielzahl von Messungen 622, um einen Leistungsindex zu bestimmen. Regler 603 empfängt die Messungen 622 von Anlage 600 über die Eingabeschnittstelle 604. Ein Leistungsindex wird durch den Leistungsindexrechner 610 unter Verwendung von Messungen 622 berechnet. Der Leistungsindex ist eine mathematische Darstellung der Systemleistung der ESC-Schleife 601 unter Verwendung der Messungen 622. Die Leistungsgradientensonde 612 empfängt den Leistungsindex von dem Leistungsindexrechner 610, um den Leistungsgradienten nachzuweisen. Dann stellt der Stellglied-Sättigungskompensator 614 die ESC-Schleife 601 ein, wenn in der Anlage ein Stellglied-Sättigungszustand 624 vorliegt. Der manipulierte Variablen-Aktualisierer 616 erzeugt auf der Grundlage des Leistungsgradienten und einer von Stellglied-Sättigungskompensator 614 bereitgestellten Kompensation eine aktualisierte manipulierte Variable 620. Bei einer beispielhaften Ausführungsform umfasst der manipulierte Variablen-Aktualisierer 616 einen Integrator, um den Leistungsgradienten gegen Null zu fahren. Der manipulierte Variablen-Aktualisierer 616 stellt der Anlage 624 dann eine aktualisierte manipulierte Variable 620 über Ausgabeschnittstelle 606 bereit.
  • Unter Bezugnahme auf 5A ist gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ein Flussdiagramm eines Verfahrens 719 zur Beschränkung der Auswirkungen eines Stellglied-Sättigungszustands in einer ESC-Schleife gezeigt. Bei dieser Ausführungsform wird eine Extremwertregelung für eine Anlage in Schritt 720 bereitgestellt. Während der Extremwertregelung unterscheidet der ESC-Regler zwischen einem Zustand, bei dem das Stellglied gesättigt ist, und einem Zustand, bei dem das Stellglied nicht gesättigt ist (Schritt 722). Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann Schritt 722 durch Vergleich der manipulierten Variablen erreicht werden, die von der Extremwertregelungsstrategie einem Bereich von Steuersignalen zugeordnet werden, der dem physikalischen Bereich von Stellgliedpositionen entspricht. Beispielsweise kann der Extremwertregler ein Speichermodul enthalten, das Informationen über die physikalischen Grenzen des Stellglieds speichert. Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann der Regler konfiguriert sein, um Eingabedaten von einem Positionssensor zu erhalten, der Daten über die Position des Stellglieds bereitstellt, um einen Stellglied-Sättigungszustand nachzuweisen. Wird ein Stellglied-Sättigungszustand nachgewiesen, wird der Sättigungszustand beseitigt, und die Schleife wird aktualisiert (Schritt 724). Der Sättigungszustand kann durch Reduzieren der an das Stellglied gesendeten Kontrollparameter auf diejenigen innerhalb des Bereichs, der den physikalischen Betriebsgrenzen des Stellglieds entspricht, beseitigt werden. Alternativ kann das Kontrollsystem eine zeitlang abgeschaltet werden, wenn ein Stellglied-Sättigungszustand nachgewiesen wird. Ein erneutes Aus- und Einschalten des Kontrollsystems kann die Wirkung einer Reinitialisierung der ESC-Schleife haben, wodurch verhindert wird, dass der Integrator weiterhin überläuft.
  • 5B ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens 700 zur Verhinderung und/oder Begrenzung der Auswirkungen eines Stellglied-Sättigungszustands einer ESC-Schleife. Gezeigt ist, dass Verfahren 700 den Empfang einer Messung von der Anlage einschließt (Schritt 702). In der Regelungstheorie ist eine Anlage die Kombination aus einem Verfahren und einem Stellglied. Bei einer beispielhaften Ausführungsform verwendet der Algorithmus für das Extremwertregelungssystem eine einzige Eingabemessung aus der Anlage. Der Algorithmus kann auch eine Vielzahl von Eingabemessungen aufweisen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform für ein HVAC-System können die Messungen Eingaben von Temperatursensoren, Feuchtigkeitssensoren, Luftstromsensoren, Schieberpositionierungssensoren einschließen, oder sie können den Energieverbrauch wiedergeben. Gezeigt ist weiterhin, dass das Verfahren 700 das Sondieren nach einem Leistungsgradienten einschließt (Schritt 706). Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann das Sondieren nach einem Leistungsgradienten die Verwendung eines Dithersignals und eines Demodulationssignals in dem geschlossenen Schleifensystem zur Folge haben, um den Leistungsgradienten zu bestimmen. Verfahren 700 umfasst weiterhin die Verwendung eines Integrators, um den Leistungsgradienten gegen Null zu fahren (Schritt 708). Es wird dann ein Stellglied-Sättigungszustand nachgewiesen, und der Zustand wird beseitigt (Schritt 710), was die manipulierte Variable ändert, die an die Anlage weitergegeben wird (Schritt 712).
  • In 5C ist gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ein Flussdiagramm eines Verfahrens 800 zur Begrenzung der Auswirkungen eines Stellglied-Sättigungszustands für eine ESC-Schleife unter Verwendung von Rückkopplung aus dem Stellglied gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist keine logische Bestimmung notwendig, um die Gegenwart eines Stellglied-Sättigungszustands nachzuweisen, da eine Rückkopplungsschleife automatisch diesen Zustand korrigiert. Verfahren 800 umfasst die für einen Extremwertregler charakteristischen Schritte, einschließlich: Empfang einer Messung aus der Anlage (Schritt 702), Sondieren nach einem Leistungsgradienten (Schritt 706), Verwenden eines Integrators, um den Gradienten gegen Null zu fahren (Schritt 708) und Aktualisieren der manipulierten Variablen für die Anlage (Schritt 712). Die Schritte 702, 706, 708 und 712 können auf die gleiche Weise wie für Verfahren 700 in 5B ausgeführt, durchgeführt werden. Verfahren 800 umfasst weiterhin das Berechnen der Differenz zwischen Eingabe- und Ausgabesignal des Stellglieds (Schritt 812). Die Differenz zwischen Eingabe- und Ausgabesignal an dem Stellglied bleibt Null, es sei denn, das Stellglied ist gesättigt. Gezeigt ist weiterhin, dass das Verfahren 800 das resultierende Differenzsignal aus Schritt 812 in einen Verstärker eingibt (Schritt 814). Das verstärkte Differenzsignal aus Schritt 812 wird dann wieder zu Schritt 708 zurückgeführt und mit der Ausgabe von Schritt 706 kombiniert, um eine neue Eingabe an den Integrator von Schritt 708 zu bilden (Schritt 816). Dies verhindert, dass der Integrator in Schritt 708 überläuft und dass das Extremsystem sich nicht an Änderungen im optimalen Betriebszustand anzupassen vermag.
  • In 6 ist gemäß einer beispielhaften Ausführungsform eine filternde ESC-Schleife 970 gezeigt, die konfiguriert ist, um die Auswirkung eines Stellglied-Sättigungszustands zu begrenzen. Filternde Extremwertregler bestimmen durch die Verwendung eines Hochpassfilters, eines Demodulationssignals, eines Tiefpassfilters und eines Dithersignals einen Leistungsgradienten. Es wird ein Integrator verwendet, um den Leistungsgradienten zur Optimierung des geschlossenen Schleifensystems gegen Null zu fahren. Bei einer beispielhaften Ausführungsform verwendet die ESC-Schleife 970 eine Rückkopplungsschleife, um die Auswirkungen eines Stellglied-Sättigungszustands zu begrenzen. Die Anlage 951 kann mathematisch als eine Kombination einer linearen Eingabedynamik 950, einer nicht-linearen Leistungsabbildung 952 und einer linearen Ausgabedynamik 954 dargestellt werden. Das tatsächliche mathematische Modell für die Anlage 951 braucht nicht bekannt zu sein, um ESC anzuwenden und ist nur erläuternd. Die Eingabedynamik 950 erzeugt ein Funktionssignal 'x', das an die nicht-lineare Leistungsabbildung 952 weitergegeben wird. Die Ausgabe der Leistungsabbildung 952 wird dann an die Ausgabedynamik 954 weitergegeben, um ein Ausgabesignal 'z' bereitzustellen. Die ESC-Schleife 970 sucht, um einen Wert für 'x' zu finden, der die Ausgabe der Leistungsabbildung 952 minimiert, wodurch auch das Ausgabesignal 'z' minimiert wird. Nur als erläuterndes Beispiel kann das Ausgabesignal 'z' durch den folgenden Ausdruck dargestellt werden: z = f(x) = (x – xopt)2 + 2wobei f(x) die Leistungsabbildung darstellt und xopt den Wert darstellt, bei dem f(x) minimiert ist. Die tatsächliche repräsentative Formel für eine Leistungsabbildung in einer ESC-Schleife ist system- und anwendungsspezifisch. Das Ausgabesignal 'z' durchläuft die lineare Ausgabedynamik 954, um Signal 'z' zu erzeugen, das von dem Extremwertregler empfangen wird.
  • Ein Leistungsgradientensignal wird erzeugt, indem das System zuerst durch die Addition von Dithersignal 966 zu der ESC-Schleife 970 bei Prozesselement 959 gestört wird. Das Rücklaufsignal ”z'” wird dann verwendet, um den Leistungsgradienten durch die Verwendung von Hochpassfilter 956, einem mit der Ausgabe von Hochpassfilter 956 bei Prozesselement 957 kombinierten (z. B. multipliziert mit) Demodulationssignal 958 und Tiefpassfilter 960 nachzuweisen. Der Leistungsgradient ist eine Funktion des Unterschieds zwischen 'x' und 'xopt'. Das Gradientensignal wird dem Integrator 964 als eine Eingabe bereitgestellt, um den Gradienten gegen Null zu fahren, wodurch die ESC-Schleife 970 optimiert wird.
  • Die Rückkopplung aus dem Stellgliedblock 968 wurde zu der ESC-Schleife 970 addiert, um die Auswirkungen eines Stellglied-Sättigungszustands zu begrenzen. Der Unterschied zwischen Eingabe- und Ausgabesignal für das von der ESC-Schleife 970 kontrollierte Stellglied wird bei Prozesselement 971 berechnet. Der Stellgliedblock 968 ist für die Eingabe- und Ausgabesignale für das Stellglied repräsentativ. Bei einer beispielhaften Ausführungsform berechnet das Prozesselement 971 die Differenz zwischen dem an das Stellglied gesendete Signal und einer am Stellglied vorgenommenen Messung, die ein Hinweis auf die physikalische Ausgabe des Stellglieds ist. Das von dem Prozesselement 971 erzeugte Differenzsignal wird dann durch einen Gewinn 972 verstärkt und bei Prozesselement 962 zu der Eingabe von Integrator 964 addiert, wodurch die Eingabe an den Integrator 964 begrenzt wird und verhindert wird, dass der Integrator überläuft. Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform wird Prozesselement 971 als Software implementiert und vergleicht das an das Stellglied ausgegebene Signal mit einem gespeicherten Bereich von Werten, die den physikalischen Grenzen des Stellglieds entsprechen.
  • In 7 ist in einer beispielhaften Ausführungsform eine ESC-Schleife 76 zur Regelung eines AHUs gezeigt. Die ESC-Schleife 76 wurde angepasst, um ein Stellglied-Sättigungszustand unter Verwendung von Rückkopplung aus Stellglied 850 zu kompensieren. Das AHU umfasst einen Temperaturregler 80, einen Temperaturregler-Systemsteuerung 90, ein Schieber-Stellglied 850 und Schieber 852. Temperaturregler 80 kann jeder beliebige Mechanismus sein, der zur Änderung der Lufttemperatur verwendet wird. Dies kann Kühlspulen, Heizspulen, Dampfregler, Kühlwasserregler und Luftkompressoren umfassen, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Bei einer beispielhaften Ausführungsform senkt der Temperaturregler 80 die Temperatur der Luft. Temperaturregler-Systemsteuerung 90 hält eine Zufuhrlufttemperatur bei einem Sollwert 92 durch Einstellen der Position von Kühlwasserventil 446 von Kühlspule 444 aufrecht (2). Stellglied 850 hält den Schieber 852 aufrecht, um zwischen 0% und 100% Außenluft bereitzustellen.
  • Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform kontrolliert eine Kontrollschleife bestehend aus Temperaturregler-Systemsteuerung 90, Temperaturregler 80 und Temperatursensor 480 die Menge an mechanischem Kühlen in dem AHU. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform empfängt Temperaturregler-Systemsteuerung 90 eine Sollwert-Zufuhrlufttemperatur 92 aus einer Fernsteuerung 404 (2). Temperaturregler-Systemsteuerung 90 empfängt auch Messungen aus dem Temperatursensor 480, der die Temperatur der dem Gebäude durch das AHU zugeführten Luft misst. Temperaturregler-Systemsteuerung 90 vergleicht die Sollwert-Temperatur mit der gemessenen Temperatur und stellt die Menge des mechanischen Kühlens ein, das von dem Temperaturregler 80 bereitgestellt wird, um die Sollwert-Zufuhrlufttemperatur 92 zu erreichen.
  • ESC-Schleife 76 ist mit der Temperaturregler-Kontrollschleife verbunden, um den Schieber 852 zu steuern, der die Menge an Außenluft in dem AHU kontrolliert. Bei einer beispielhaften Ausführungsform bestimmt die ESC-Schleife 76 eine optimale Einstellung für das Stellglied 850, um die Verwendung von Außenluft zum Kühlen zu maximieren, wodurch der Energieverbrauch des Temperaturreglers 80 minimiert wird. Der Leistungsgradient für die ESC-Schleife 76 wird durch die Kombination von einem zu ESC-Schleife 76 bei Prozesselement 67 addierten Dithersignal 62, Hochpassfilter 86, einem Demodulator 69, der Demodulationssignal 60 verwendet, und Tiefpassfilter 64 nachgewiesen. Der Integrator 98 dient dazu, den nachgewiesenen Gradienten auf Null zu fahren. Die Kontrollparameter aus Integrator 98 werden an das Stellglied 850 weitergeleitet, um den Schieber 852 zu regulieren, wodurch die von dem AHU verwendete Menge an Außenluft kontrolliert wird. Die Außenluft und/oder Luft von anderen Quellen (z. B. Rücklaufluft), wird mit der Luft kombiniert, die von dem Temperaturregler 80 behandelt und der von dem AHU versorgten Zone bereitgestellt wird. Temperatursensor 480 misst die von dem AHU zugeführte Luft und stellt dem Temperaturregler-Systemsteuerung 90 Temperaturinformationen bereit.
  • Die Auswirkungen eines Stellglied-Sättigungszustands in der ESC-Schleife 76 werden unter Verwendung der Rückkopplung aus dem Eingabe- und Ausgabesignal für das Stellglied 850 begrenzt. Die Differenz zwischen Eingabe- und Ausgabesignal an Stellglied 850 wird durch Prozesselement 68 berechnet. Das Differenzsignal, das sich aus dem Vorgang in Prozesselement 68 ergibt, bleibt Null, es sei denn, das Schieber-Stellglied 850 wird gesättigt. Das Differenzsignal wird dann durch den Verstärker 66 verstärkt und bei Prozesselement 96 in die Eingabe des Integrators 98 rückgekoppelt, wodurch die Eingabe an den Integrator 98 begrenzt und verhindert wird, dass der Integrator 98 überläuft. Die Verhinderung eines Integrator-Überlaufens verhindert auch, dass die ESC-Schleife 76 unfähig wird, sich an Änderungen in der optimalen Einstellung für das Stellglied 850 anzupassen. Es sollte davon ausgegangen werden, dass die Funktionen der ESC-Schleife 76 als ein elektronischer Schaltkreis oder als in einem digitalen Prozesskreis gespeicherte Software implementiert werden können.
  • Wird nun auf 8 Bezug genommen, so ist gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ein Diagramm eines Reglersystems für ein AHU, das zur Begrenzung der Auswirkungen eines Stellglied-Sättigungszustands konfiguriert ist, gezeigt. Der AHU-Regler 410 empfängt einen Temperatur-Sollwert von einer Fernsteuerung 404. Der Temperatur-Sollwert wird zum Steuern einer Kontrollschleife verwendet, einschließlich Temperaturregler-Systemsteuerung 90, Temperaturreglersystem 952 und Temperatursensor 480. Die Temperaturregler-Systemsteuerung 90 vergleicht die von dem Temperatursensor 480 gemessene Temperatur mit derjenigen der Sollwert-Temperatur, die von der Fernsteuerung 404 bereitgestellt wird. Dann wird von Kontrolle 90 ein Temperaturregler-Befehlssignal an Temperaturreglersystem 952 gesendet, um ein mechanisches Erwärmen oder Kühlen bereitzustellen, um die Temperatur der von dem AHU zugeführten Luft auf diejenige des Sollwert zu bringen.
  • Der AHU-Regler 410 enthält auch eine ESC-Schleife 860, um die Position des Außenluft-Schiebers 852 über Stellglied 850 zu kontrollieren. Die ESC-Schleife 860 ist mit der Temperaturregler-Kontrollschleife gekoppelt, um den Energieverbrauch des Temperaturreglersystems 952 zu minimieren. Bei einer beispielhaften Ausführungsform sucht die ESC-Schleife 860 nach einer Einstellung für die Schieberöffnung, die die Energie minimiert, die von dem Temperaturreglersystem 952 verbraucht wird, indem von Außenluft Gebrauch gemacht wird. Eine Leistungsgradientensonde 862 weist die Differenz zwischen den optimalen Einstellungen für Schieber 852 und den aktuellen Einstellungen für Schieber 852 nach. Bei einer beispielhaften Ausführungsform verwendet die Leistungsgradientensonde 862 einen Hochpassfilter, ein Demodulationssignal und einen Tiefpassfilter und ein Dithersignal, um den Leistungsgradienten nachzuweisen. Die Integration des Gradienten erzeugt ein Stellglied-Befehlssignal, um das Stellglied 850 in seine optimale Einstellung zu bringen. Das Stellglied 850 empfängt das Stellglied-Befehlssignal und reguliert den Schieber 852, wodurch der Einstrom von Außenluft in das AHU kontrolliert wird.
  • Die Auswirkungen eines Stellglied-Sättigungszustands werden in dem AHU-Regler 410 durch Berechnen der Differenz zwischen dem von Integrator 98 gesendeten Stellglied-Befehlssignal und der Ausgabe des Stellglieds 850 begrenzt. Die Ausgabe des Stellglieds 850 wird zu ESC-Schleife 860 rückgekoppelt und mit dem Stellglied-Befehlssignal bei Element 68 kombiniert. Element 68 führt die mathematische Operation der Subtraktion des Stellglied-Befehlssignals von dem Stellglied-Rückkopplungssignal durch. Das von Element 68 erzeugte Differenzsignal wird dann durch einen Gewinn bei Verstärker 66 verstärkt und zu der Eingabe in Integrator 98 bei Prozesselement 96 addiert. Wenn das Schieber-Stellglied 850 gesättigt ist, ist das Differenzsignal nicht Null, was die Eingabe in den Integrator 98 begrenzt, um Integrator-Überlaufen zu verhindern.
  • Unter Bezugnahme auf 9 ist gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ein Blockdiagramm des Reglers 410 in 8 gezeigt. Gezeigt ist, dass Regler 410 einen Prozesskreis 418 einschließt. Gezeigt ist, dass Prozesskreis 418 den Prozessor 414 und den Speicher 416 einschließt. Prozesskreis 418 kann mit einer Ventilator-Kontrollausgabe 456, Kühlwasserventilausgabe 454, Heizventilausgabe 452, Stellglied-Befehl 458, Temperatureingabe 450 und Kommunikationseingängen 412 kommunizierfähig gekoppelt sein. Gemäß verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen kann der Prozesskreis 418 ein Allzweckprozessor, ein Spezialanwendungsprozessor, ein Kreis, der eine oder mehrere Prozesskomponenten enthält, eine Gruppe von verteilten Prozesskomponenten, eine Gruppe von zum Prozessieren konfigurierten verteilten Computern etc. sein. Prozessor 414 kann jede beliebige Anzahl von Komponenten zum Durchführen der Datenverarbeitung und/oder Signalverarbeitung sein oder einschließen.
  • Speicher 416 (z. B. Memoryeinheit, Memoryvorrichtung, Speichervorrichtung, etc.) kann eine oder mehrere Vorrichtungen zum Speichern von Daten und/oder eines Computercodes zum Abschließen und/oder Erleichtern der verschiedenen in der vorliegenden Offenbarung beschriebenen Prozesse sein, einschließlich derjenigen der Verwendung der Extremwertregelungslogik zur Kontrolle eines AHU. Speicher 416 kann einen flüchtigen Speicher und/oder einen nicht-flüchtigen Speicher einschließen. Speicher 416 kann Datenbasiskomponenten, Objektcodekomponenten, Skriptkomponenten und/oder jede andere Art von Informationsstruktur zum Stützen der verschiedenen, bei der vorliegenden Erfindung beschriebenen Aktivitäten sein. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform kann jede verteilte und/oder lokale Speichervorrichtung der Vergangenheit, Gegenwart oder Zukunft mit den Systemen und Verfahren dieser Offenbarung verwendet werden. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist Speicher 416 mit Prozessor 414 kommunizierfähig verknüpft (z. B. über einen Stromkreis oder über eine andere Verbindung) und umfasst einen Computercode zum Ausführen von einem oder mehreren hierin beschriebenen Prozessen. Speicher 416 kann verschiedene Daten hinsichtlich des Betriebs einer Kontrollschleife (z. B. bisherige Sollwerte, bisherige Verhaltensmuster hinsichtlich der Energie, die zur Einstellung eines aktuellen Werts auf einen Sollwert verwendet wurde etc.) einschließen.
  • Bei einer beispielhaften Ausführungsform können die Funktionen von Regler 410, wie in 8 beschrieben, als in Speicher 416 des Prozesskreises 418 gespeicherte Software implementiert sein. Die Fernsteuerung 404 stellt über den Kommunikationseingang 412 für den Regler 410 einen Sollwert bereit. Temperatursensor 480 (8) stellt eine Temperatureingabe 450 für den Regler 410 bereit, der die gemessene Temperatur mit der Sollwert-Temperatur vergleicht. Bei einer beispielhaften Ausführungsform wird an die Kühlwasserventilausgabe 454 ein Temperaturregler-Befehl gesendet, um die Luft im AHU zu kühlen. Die Extremwertregelungsstrategie 860 kann verwendet werden, um das Stellglied 850 für den Schieber 852 über den Stellglied-Befehl 458 zu kontrollieren. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann Rückkopplung aus dem Stellglied durch die Verwendung eines von einem Schieberpositionssensor empfangenen physikalischen Signals erreicht werden. Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann der Speicher 416 Informationen über die physikalischen Grenzen für Stellglied 850 speichern, um einen Stellglied-Sättigungszustand nachzuweisen. Bei wieder einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann der Nachweis eines Stellglied-Sättigungszustands bewirken, dass die Eingabe an den Integrator 98 begrenzt wird (8).
  • In 10 ist gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ein Flussdiagramm eines Verfahrens 1000 zum Begrenzen der Auswirkungen eines Stellglied-Sättigungszustands in einer Extremwertregelungsschleife für ein AHU gezeigt. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann Verfahren 1000 als in dem Speicher des AHU-Reglers 410 gespeicherte Software implementiert sein. Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann Verfahren 1000 als Analogkreis implementiert sein. Verfahren 1000 umfasst die für eine Extremwertregelungsstrategie charakteristischen Schritte, einschließlich: Empfang einer Messung aus der Temperaturregler-Kontrollschleife (Schritt 1002), Sondieren nach einem Leistungsgradienten (Schritt 1006), Verwenden eines Integrators, um den Gradienten gegen Null zu fahren (Schritt 1008), und Aktualisieren der manipulierten an das Schieber-Stellglied gesendeten Variablen (Schritt 1010). Verfahren 1000 umfasst weiterhin die Berechnung der Differenz zwischen dem Eingabe- und Ausgabesignal an das Stellglied (Schritt 1012). Die Differenz zwischen dem Eingabe- und Ausgabesignal an das Stellglied bleibt Null, es sei denn, dass Stellglied ist gesättigt. Gezeigt ist weiterhin, dass Verfahren 1000 das resultierende Differenzsignal aus Schritt 1012 an einen Verstärker weitergibt (Schritt 1014). Das verstärkte Differenzsignal aus Schritt 1014 wird dann an Schritt 1008 zurückgegeben und mit der Ausgabe von Schritt 1006 kombiniert, um einen neue Eingabe für Schritt 1008 zu bilden. Dies verhindert, dass der Integrator in Schritt 1008 überläuft und dass das Extremsystem unfähig wird, sich an Änderungen in den optimalen Betriebsbedingungen anzupassen.
  • Unter Bezugnahme auf die 11A bis B sind alternative Extremwertregelungsstrategien unter Verwendung von Stellglied-Rückkopplung zur Minimierung der Auswirkungen eines Stellglied-Sättigungszustands gezeigt. Die Rückkopplungsschleifen sind konfiguriert, um eine Differenz zwischen einer Stellglied-Eingabe und einer -Ausgabe zu berechnen, die Differenz zu verstärken und dann das verstärkte Signal wieder in die Eingabe eines Integrators einzuspeisen. Ein Fachmann weiß, dass die hier aufgeführten Strukturen und Funktionen über Software oder als elektronischer Prozesskreis implementiert werden könnten. Beispielsweise kann die Integration eines Signals durch die Verwendung einer auf einem Mikroprozessor laufenden Software oder durch einen Integratorkreis unter Verwendung von einem op-amp erreicht werden.
  • In 11A ist gemäß einer beispielhaften Ausführungsform eine zur Begrenzung der Auswirkungen eines Stellglied-Sättigungszustands konfigurierte ESC-Schaltschleife 922 gezeigt. Eine ESC-Schaltschleife verwendete ein Flipflop, um ein Signal für einen Integrator bereitzustellen, und der Integrator fährt das Signal auf Null, um das System zu optimieren. Die Gegenwart des Integrators kann zu einem Überlauf-Zustand führen, wenn das von der ESC kontrollierte Stellglied gesättigt wird. Bei einer beispielhaften Ausführungsform wurde ESC-Schleife 922 mit einer Rückkopplungsschleife konfiguriert, um die Auswirkungen eines Stellglied-Sättigungszustands zu begrenzen. ESC-Schleife 922 kontrolliert die Anlage 903, wobei die Anlage mathematisch durch die lineare Eingabedynamik 902, die nicht-lineare Leistungsabbildung 904, die lineare Ausgabedynamik 906 dargestellt ist. Die Eingabedynamik 902 erzeugt ein Funktionssignal 'x', das an die nicht-lineare Leistungsabbildung 904 weitergegeben wird. Die Ausgabe der Leistungsabbildung 904 wird dann an die Ausgabedynamik 906 weitergeleitet, um ein Ausgabesignal 'z' bereitzustellen. Ausgabesignal 'z' wird durch die Ausgabedynamik 906 modifiziert, um ein Rücklaufsignal 'z'' für den Extremwertregler zu erzeugen. ESC-Schleife 922 sucht danach, einen Wert für 'x' zu finden, der die Ausgabe von Leistungsabbildung 904 minimiert, wodurch auch das Ausgabesignal 'z' minimiert wird. Nur als ein erläuterndes Beispiel kann Ausgabesignal 'z' als der folgende Ausdruck definiert werden: z = f(x) = (x – Xopt)2 + 2wobei f(x) die Leistungsabbildung darstellt und xopt den Wert darstellt, bei dem f(x) minimiert ist. Die Ableitung von 'z' wird dann bezüglich der Zeit bei Differenzierer 908 genommen und als eine Eingabe an einen Flipflop-basierten Regler 910 mit etwas Hysterese verwendet. Das Flipflop von Kreis 910 ist so konfiguriert, dass der mit einem negativen Wert der Ausgabeableitung zusammenhängende Wechsel bewirkt, dass das Flipflop die Zustände ändert. Bei einer Ausführungsform kann ein J-K-Flipflop verwendet werden, wobei die Hysterese-Ausgabe den Taktgeber des Flipflops steuert. Die Ausgabe des Kreises 910 wird dann durch den Integrator 912 integriert und in das Stellglied von Anlage 903 eingespeist. Sättigungsblock 914 stellt mathematisch das Stellglied von Anlage 903 dar, mit einer Eingabe entsprechend der von ESC-Schleife 922 erzeugten manipulierten Variablen, und einer Ausgabe entsprechend der Ausgabe des Stellglieds.
  • Die Auswirkungen eines Stellglied-Sättigungszustands bei Sättigungsblock 914 werden durch die Verwendung einer Rückkopplungsschleife begrenzt. Der Unterschied zwischen dem Eingabe- und Ausgabesignal für Sättigungsblock 914 wird bei Prozesselement 916 berechnet. Das Differenzsignal wird dann durch einen Gewinn 918 verstärkt und mit der Eingabe an Integrator 912 bei Prozesselement 920 kombiniert, um Überlaufen im Integrator 912 zu verhindern.
  • Wird als Nächstes auf 11B Bezug genommen, so ist gemäß einer beispielhaften Ausführungsform eine zur Begrenzung der Auswirkungen eines Stellglied-Sättigungszustands konfigurierte selbstangetriebene ESC-Schleife 924 gezeigt. Selbstangetriebene ESCs arbeiten, indem zuerst ein Gradientensignal bestimmt wird. Das Gradientensignal in einer selbstangetriebenen ESC-Schleife wird durch Division der Ableitung der Eingabe in die Leistungsabbildung bezüglich der Zeit durch die Ableitung der Ausgabe der System-Ausgabecharakteristika bezüglich der Zeit berechnet. Dann wird ein Integrator verwendet, um den Gradienten gegen Null zu fahren, um das geschlossene Schleifensystem zu optimieren. Bei einer beispielhaften Ausführungsform wurde die selbstangetriebenen ESC-Schleife 924 mit einer Rückkopplungsschleife konfiguriert, um die Auswirkungen eines Stellglied-Sättigungszustands zu begrenzen. Die ESC-Schleife 924 enthält die Anlage 931, mathematisch dargestellt als eine Kombination von linearer Eingabedynamik 930, nicht-linearer Leistungsabbildung 932 und linearer Ausgabedynamik 934. Entsprechend 9A empfängt die Eingabedynamik 930 eine manipulierte Variable aus dem Extremwertregler, um ein Signal 'x' zu erzeugen, das als ein Eingabesignal an die Leistungsabbildung 932 verwendet wird. Die ESC-Schleife 924 ist sucht danach, einen Wert für 'x' zu erzeugen, der die Ausgabe 'z' von Leistungsabbildung 932 minimiert. Die Ausgabe 'z' der Leistungsabbildung 932 durchläuft die Ausgabedynamik 934, um ein Rücklaufsignal 'z'' zu erzeugen, das von dem Extremwertregler gemessen wird. Die Ableitung von Signal 'z'' bezüglich der Zeit wird am Differenzierer 936 abgegriffen und dem Divider 938 bereitgestellt. Die an Anlage 932 gesendete Ableitung der manipulierten Variablen bezüglich der Zeit wird am Differenzierer 937 abgegriffen und ebenfalls dem Divider 938 bereitgestellt. Divider 938 erzeugt ein Gradientensignal entsprechend dz'/dx, das als eine Eingabe für den Integrator 940 bereitgestellt wird, um den Gradienten auf Null zu fahren. Die Auswirkungen eines Stellglied-Sättigungszustands werden unter Verwendung einer Rückkopplungsschleife begrenzt. Entsprechend Sättigungsblock 914 (11A) repräsentiert Sättigungsblock 942 mathematisch das Stellglied von Anlage 931 mit einer Eingabe, entsprechend der von ESC-Schleife 924 erzeugten manipulierten Variablen, und einer Ausgabe, entsprechend der Ausgabe des Stellglieds. Die Differenz zwischen dem Eingabe- und Ausgabesignal für das Stellglied wird bei Prozesselement 944 berechnet. Das Differenzsignal wird dann durch einen Gewinn 946 verstärkt und mit der Eingabe für Integrator 940 bei Prozesselement 948 kombiniert, um das Überlaufen im Integrator 940 zu verhindern.
  • Aufbau und Anordnung der Systeme und Verfahren, wie in den verschiedenen beispielhaften Ausführungen gezeigt, sind nur erläuternd. Obwohl in dieser Offenbarung nur einige Ausführungsformen im Einzelnen beschrieben wurden, sind viele Modifikationen möglich. Alle derartigen Modifikationen sollen im Umfang der vorliegenden Offenbarung mit eingeschlossen sein. Die Reihenfolge oder Abfolge von einem Verfahrens- oder Prozessschritt kann gemäß alternativen Ausführungsformen variiert oder neu angeordnet werden. Es können weitere Substitutionen, Modifikationen, Änderungen und Weglassungen im Aufbau, in den Betriebsbedingungen und der Anordnung der beispielhaften Ausführungsformen vorgenommen werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
  • Die in der vorliegenden Anmeldung beschriebene Stellglied-Sättigungsregelung könnte auf viele verschiedene HVAC-Anordnungen angewandt werden. Beispielsweise kann ein Schieber oder eine Vielzahl von Schiebern zur Kontrolle des Luftstroms durch und/oder in dem AHU verwendet werden. Eine Extremwertregelungsstrategie kann verwendet werden, um einen oder mehrere Schieber zu regeln, um den Energieverbrauch durch das AHU zu minimieren. Wird wiederum auf 2 Bezug genommen, kann die zur Reduzierung des Energieverbrauchs durch das AHU verwendete Menge an Luft durch eine Kombination von Abluftschieber 460, Rezirkulationsluftschieber 462 und Außenlufteinlassschieber 464 reguliert werden. Wenn beispielsweise θex, θre und θout den Bruchteil der voll geöffneten Position der Schieber 460, 462 bzw. 464 darstellen, können die Schieberpositionen wie folgt miteinander in Beziehung gesetzt werden: θre = 1 – θex θout = 1 – θre = θex
  • Bei diesem Beispiel ist die Beziehung zwischen den Schieberöffnungen so, dass die ESC verwendet werden kann, um die Kontrolle von jedem Schieber zu optimieren, da die Optimierung von einer Schieberöffnung die Optimierung aller Schieberöffnungen zur Folge hat.
  • Bei wieder einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann ein oder mehrere Schieber feststehende Positionen einnehmen, während andere Schieberöffnungen variabel sind und untereinander in Verbindung stehen. Bei dieser Ausführungsform können die Schieberpositionen für die Schieber 460, 462 und 464 wie folgt sein: θout = 1, θex = manipulierte Variable aus der ESC, und θre = 1 – θex
  • In diesem Beispiel wird die ESC zur Optimierung der Kontrolle von Schieber 460 verwendet, um den Energieverbrauch des AHU zu minimieren, während der Außenluft-Einlassschieber 416 vollständig geöffnet bleibt und Schieber 462 auf der Grundlage von Schieber 460 variiert. Die ESC kann darum verwendet werden, um jede Kombination von fest positionierten Schiebern zu optimieren und variabel positionierte Schieber untereinander in einem AHU zu verknüpfen, wo die ESC zur Kontrolle von einem oder mehreren der variabel positionierten Schieber verwendet wird.
  • Die ESC kann auch direkt mehr als einen Schieber gleichzeitig kontrollieren. Beispielsweise können mehrere ESC-Regler verwendet werden, um eine Vielzahl von unabhängigen Schiebern zu kontrollieren. Alternativ kann ein einziger ESC-Regler mit mehreren Eingaben verwendet werden, um eine Vielzahl von unabhängigen Schiebern zu regulieren. Die Schieber in einem durch die Extremwertregelungsstrategie kontrollierten AHU können Außenluft-Einlassschieber, Rezirkulationsluftschieber, Abluftschieber oder eine Kombination davon umfassen, ist jedoch nicht darauf beschränkt.
  • Ausführungsformen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Offenbarung umfassen Programmprodukte, die maschinell lesbare Medien zum Mitführen oder Aufweisen von maschinell ausführbaren Anweisungen oder Datenstrukturen, die darauf gespeichert sind, einschließen. Solche maschinell lesbaren Medien können alle verfügbaren Medien sein, auf die mit einem Allzweck- oder Spezialzweckcomputer oder mit Maschinen mit einem Prozessor zugegriffen werden kann. Beispielsweise kann ein solches maschinell lesbares Medium RAM, ROM, EPROM, EEPROM, CD-ROM oder eine andere optische Speicherplatte, ein Magnetplattenspeicher oder eine andere magnetische Speichervorrichtungen oder jedes andere beliebige Medium sein, das zum Mitführen oder Speichern von einem gewünschten Programmcode in der Form von maschinell ausführbaren Anweisungen oder Datenstrukturen verwendet werden kann, und auf das durch einen Allzweck- oder Spezialcomputer oder eine andere Maschine mit einem Prozessor zugegriffen werden kann. Wenn Informationen über ein Netzwerk oder eine andere Kommunikationsverbindung (entweder mit Kabel, schnurlos oder mit einer Kombination aus verkabelt oder schnurlos) an eine Maschine übertragen oder bereitgestellt werden, sieht die Maschine die Verbindung richtigerweise als ein maschinell lesbares Medium. Somit wird jede beliebige derartige Verbindung richtigerweise als ein maschinell lesbares Medium bezeichnet. Kombinationen der Obigen sind ebenfalls im Umfang von maschinell lesbaren Medien eingeschlossen. Maschinell ausführbare Anweisungen umfassen beispielsweise Anweisungen und Daten, die dazu führen, dass ein Allzweckcomputer, ein Spezialcomputer oder eine spezielle Prozessmaschine eine bestimmte Funktionen oder eine bestimmte Gruppe von Funktionen ausführt.
  • Es sollte angemerkt werden, dass, obwohl die Figuren eine spezielle Reihenfolge von Verfahrensschritten zeigen können, die Reihenfolge der Schritte von dem, was beschrieben ist, abweichen kann. Auch zwei oder mehrere Schritte können gleichzeitig oder teilweise gleichzeitig durchgeführt werden. Solche Variationen hängen von dem Software- und Hardwaresystem, das gewählt ist, und von der Designerwahl ab. Alle derartigen Variationen liegen im Umfang der Offenbarung. Gleichermaßen könnten Software-Implementierungen mit Standardprogrammiertechniken, mit regelbasierter Logik und anderer Logik, um die verschiedenen Verknüpfungsschritte, Prozessschritte, Vergleichsschritte und Entscheidungsschritte durchzuführen, erreicht werden.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Systeme und Verfahren werden beschrieben, die die Leistung einer Extremwertregelungsstrategie durch Begrenzen, Entfernen oder Verhindern von Effekten einer Aktorsättigungsbedingung verbessern, insbesondere wenn die Extremwertregelungsstrategie bei Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen eingesetzt wird.

Claims (15)

  1. Ein Verfahren zur Optimierung eines Kontrollverfahrens für ein Stellglied, wobei das Verfahren umfasst: Ausführen des Kontrollverfahrens unter Verwendung einer Extremwertregelungsstrategie; und Verwenden einer elektronischen Schaltung, um einen Stellglied-Sättigungszustand der Extremwertregelungsstrategie zu kompensieren.
  2. Das Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin umfasst: Empfangen eines Rückkopplungssignals aus dem Stellglied; Vergleichen des Rückkopplungssignals mit einem an das Stellglied gesendeten Kontrollsignal; Subtrahieren des Kontrollsignals von dem Rückkopplungssignal, um ein Differenzsignal zu erhalten; Verstärken des Differenzsignals, um das Differenzsignal zu überzeichnen; und Bereitstellen des verstärkten Differenzsignals für eine Eingabe der Extremwertregelungsstrategie, um bisher bestimmte optimale Kontrollparameter aufzuheben.
  3. Das Verfahren nach Anspruch 2, das weiterhin umfasst: Empfangen des verstärkten Differenzsignals an der Eingabe der Extremwertregelungsstrategie; und Bereitstellen des verstärkten Differenzsignals für einen Integrator, der zur Reduzierung eines Leistungsgradienten konfiguriert ist.
  4. Das Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin umfasst: aktiv Unterscheiden des Stellglied-Sättigungszustands von einem Zustand, wobei das Stellglied nicht gesättigt ist.
  5. Das Verfahren nach Anspruch 4, das weiterhin umfasst: Zurücksetzen der Extremwertregelungsstrategie, wenn der Stellglied-Sättigungszustand aktiv unterschieden ist.
  6. Das Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin umfasst: Abrufen von physikalischen Grenzen für das Stellglied aus dem Speicher; und Nachweisen des Stellglied-Sättigungszustands unter Verwendung der physikalischen Grenzen.
  7. Ein Regler zur Kontrolle eines Stellglieds, wobei der Regler umfasst: einen Prozesskreis, der zum Betreiben der Anlage unter Verwendung einer Extremwertregelungsstrategie und zur Kompensation eines Stellglied-Sättigungszustands der Extremwertregelungsstrategie konfiguriert ist.
  8. Der Regler nach Anspruch 7, der weiterhin umfasst: eine Eingabe, die zum Empfang eines Rückkopplungssignals aus dem Stellglied konfiguriert ist; und eine Ausgabe, die zum Senden eines Kontrollsignals an das Stellglied konfiguriert ist; wobei der Prozesskreis weiterhin zur Subtraktion des Kontrollsignals von dem Rückkopplungssignal konfiguriert ist, um ein Differenzsignal zu erhalten, und wobei der Prozesskreis weiterhin zur Bereitstellung des Differenzsignals für die Logik des Prozesskreises zum Bereitstellen der Extremwertregelungsstrategie konfiguriert ist, wobei das Differenzsignal die bisher bestimmten optimalen Kontrollparameter aufhebt.
  9. Der Regler nach Anspruch 8, der weiterhin umfasst: Verstärken des Differenzsignals vor Bereitstellen des Differenzsignals für die Logik des Prozesskreises zur Bereitstellung der Extremwertregelungsstrategie.
  10. Der Regler nach Anspruch 8, wobei die Logik des Prozesskreises zum Bereitstellen der Extremwertregelungsstrategie einen Integrator umfasst, der zur Reduzierung eines Leistungsgradienten konfiguriert ist, und wobei der Integrator zum Empfang des Differenzsignals als eine Eingabe konfiguriert ist.
  11. Der Regler nach Anspruch 8, wobei der Prozesskreis weiterhin zum aktiven Unterscheiden des Stellglied-Sättigungszustands von einem Zustand, wobei das Stellglied nicht gesättigt ist, konfiguriert ist.
  12. Der Regler nach Anspruch 11, wobei der Prozesskreis weiterhin zum Zurücksetzen der Extremwertregelungsstrategie, wenn der Stellglied-Sättigungszustand aktiv unterschieden ist, konfiguriert ist.
  13. Der Regler nach Anspruch 8, wobei der Prozesskreis weiterhin umfasst: Speicher, die die physikalische Grenzinformation für das Stellglied speichern; wobei der Prozesskreis konfiguriert ist, um die physikalische Grenzinformation aus dem Speicher abzurufen und um den Stellglied-Sättigungszustand unter Verwendung der abgerufenen physikalischen Grenzinformation nachzuweisen.
  14. Der Regler nach Anspruch 8, wobei der Prozesskreis einen Prozessor und eine Speichervorrichtung, die kommunizierfähig mit dem Prozessor gekoppelt ist, umfasst, wobei die Speichervorrichtung den Computercode zum Betrieb der Anlage unter Verwendung der Extremwertregelungsstrategie und des Computercodes zur Kompensation des Stellglied-Sättigungszustands der Extremwertregelungsstrategie speichert.
  15. Ein Regler, der zur Verwendung mit einem Lüftungsgerät mit einem Temperaturregler und einem von einem Stellglied betriebenen Schieber konfiguriert ist, wobei der Regler umfasst: einen Prozesskreis, der konfiguriert ist, um: ein erstes Kontrollsignal für den Temperaturregler bereitzustellen, wobei das erste Kontrollsignal auf einem Sollwert basiert; ein zweites Kontrollsignal für das Stellglied bereitzustellen, wobei das zweite Kontrollsignal durch eine Extremwertregelschleife bestimmt wird; und die Extremwertregelungsschleife einzustellen, um einen Stellglied-Sättigungszustand zu kompensieren.
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