用于控制多区蒸汽压缩系统的系统和方法以及永久计算机可读存储介质

摘要

一种控制多区蒸汽压缩系统(MZ‑VCS)的系统。该系统包括控制器，其使用一组控制输入来控制MZ‑VCS的蒸汽压缩循环，该组控制输入通过优化包括一组控制参数的成本函数来确定。该优化受约束，并且其中，成本函数在预测时域上优化。系统还包括存储器，其存储由定义各热交换器的有效或无效模式的MZ‑VCS的构造参数化的优化函数，优化函数根据当前构造修改对于完全构造确定的成本函数的控制参数的值，该完全构造包括处于有效模式的所有热交换器。系统还包括处理器，其确定MZ‑VCS的当前构造，并且通过向优化函数提交当前构造来更新成本函数。

权利要求

1.一种用于控制多区蒸汽压缩系统的系统，该多区蒸汽压缩系统包括压缩机，该压缩机连接到用于控制一组区域中的环境的一组热交换器，该系统包括：控制器，该控制器使用一组控制输入来控制所述多区蒸汽压缩系统的蒸汽压缩循环，所述一组控制输入通过优化包括一组控制参数的成本函数来确定，其中所述优化受约束，并且其中，所述成本函数在预测时域上优化；

存储器，该存储器存储由定义各热交换器的有效模式或无效模式的所述多区蒸汽压缩系统的构造参数化的优化函数，其中所述优化函数根据当前构造修改针对完全构造确定的所述成本函数的所述控制参数的值，该完全构造包括处于所述有效模式的所有热交换器；

以及

处理器，该处理器确定所述多区蒸汽压缩系统的所述当前构造，并且通过向所述优化函数提交所述当前构造来更新所述成本函数，其中，所述构造是二进制向量，该二进制向量具有带第一值的元素，该第一值用于处于所述无效模式的所述热交换器，并且该二进制向量具有带第二值的元素，该第二值用于处于所述有效模式的所述热交换器，其中，构造向量中的元素的指数与对应热交换器的指数匹配。

2.一种用于控制多区蒸汽压缩系统的系统，该多区蒸汽压缩系统包括压缩机，该压缩机连接到用于控制一组区域中的环境的一组热交换器，该系统包括：控制器，该控制器使用一组控制输入来控制所述多区蒸汽压缩系统的蒸汽压缩循环，所述一组控制输入通过优化包括一组控制参数的成本函数来确定，其中所述优化受约束，并且其中，所述成本函数在预测时域上优化；

存储器，该存储器存储由定义各热交换器的有效模式或无效模式的所述多区蒸汽压缩系统的构造参数化的优化函数，其中所述优化函数根据当前构造修改针对完全构造确定的所述成本函数的所述控制参数的值，该完全构造包括处于所述有效模式的所有热交换器；

以及

处理器，该处理器确定所述多区蒸汽压缩系统的所述当前构造，并且通过向所述优化函数提交所述当前构造来更新所述成本函数，其中，所述控制参数的结构与所述多区蒸汽压缩系统的模型的结构对应，使得在控制参数与所述多区蒸汽压缩系统中的热交换器之间存在对应关系，并且其中，所述优化函数在对应的热交换器处于所述有效模式时保存所述控制参数的值，并且在对应的热交换器处于所述无效模式时修改分块的值。

3.根据权利要求2所述的系统，该系统还包括：

至少一个输入界面，用于接受所述多区蒸汽压缩系统中的各热交换器的模式的值，其中，所述处理器基于从所述输入界面接收的所述模式的值来确定所述当前构造。

4.根据权利要求2所述的系统，该系统还包括：

一组传感器，所述一组传感器用于测量由所述多区蒸汽压缩系统控制的对应区域中的温度；和一组输入装置，所述一组输入装置用于设定对应区域中的期望温度，其中，所述处理器基于来自所述一组传感器的测量和所述期望温度的值来确定所述当前构造。

5.一种用于控制多区蒸汽压缩系统的系统，该多区蒸汽压缩系统包括压缩机，该压缩机连接到用于控制一组区域中的环境的一组热交换器，该系统包括：控制器，该控制器使用一组控制输入来控制所述多区蒸汽压缩系统的蒸汽压缩循环，所述一组控制输入通过优化包括一组控制参数的成本函数来确定，其中所述优化受约束，并且其中，所述成本函数在预测时域上优化；

存储器，该存储器存储由定义各热交换器的有效模式或无效模式的所述多区蒸汽压缩系统的构造参数化的优化函数，其中所述优化函数根据当前构造修改针对完全构造确定的所述成本函数的所述控制参数的值，该完全构造包括处于所述有效模式的所有热交换器；

以及

处理器，该处理器确定所述多区蒸汽压缩系统的所述当前构造，并且通过向所述优化函数提交所述当前构造来更新所述成本函数，其中，所述控制参数包括至少一个分块对角矩阵，在所述矩阵的对角线上的各分块的指数与对应的热交换器的指数匹配，并且针对对应的热交换器来确定在所述矩阵的对角线上的各分块的值，其中，所述优化函数在对应的热交换器处于所述有效模式时保存所述分块的值，并且在对应的热交换器处于所述无效模式时修改所述分块的值。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述至少一个分块对角矩阵包括其元素补偿所述多区蒸汽压缩系统的输出的性能补偿矩阵Q、其元素补偿所述多区蒸汽压缩系统的控制输入的控制补偿矩阵R、以及其元素补偿所述多区蒸汽压缩系统的终端状态的终端成本矩阵P中的一者或它们的组合。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述优化函数在对应的热交换器处于所述无效模式时用零替换所述性能补偿矩阵Q和所述终端成本矩阵P的分块的值，并且其中，所述优化函数在对应的热交换器处于所述无效模式时用比所述控制补偿矩阵的初始值大的值替换所述控制补偿矩阵R的分块的值。

8.根据权利要求5所述的系统，其中，所述控制参数的值的修改保存所述分块对角矩阵的维数。

9.一种用于控制多区蒸汽压缩系统的系统，该多区蒸汽压缩系统包括压缩机，该压缩机连接到用于控制一组区域中的环境的一组热交换器，该系统包括：控制器，该控制器使用一组控制输入来控制所述多区蒸汽压缩系统的蒸汽压缩循环，所述一组控制输入通过优化包括一组控制参数的成本函数来确定，其中所述优化受约束，并且其中，所述成本函数在预测时域上优化；

存储器，该存储器存储由定义各热交换器的有效模式或无效模式的所述多区蒸汽压缩系统的构造参数化的优化函数，其中所述优化函数根据当前构造修改针对完全构造确定的所述成本函数的所述控制参数的值，该完全构造包括处于所述有效模式的所有热交换器；

以及

处理器，该处理器确定所述多区蒸汽压缩系统的所述当前构造，并且通过向所述优化函数提交所述当前构造来更新所述成本函数，该系统还包括：

与所述一组热交换器对应的一组容量控制器，用于将所述一组控制参数变换成所述热交换器中的阀的位置。

10.一种用于控制多区蒸汽压缩系统的方法，该多区蒸汽压缩系统包括压缩机，该压缩机连接到用于控制一组区域中的环境的一组热交换器，该方法包括以下步骤：确定定义所述多区蒸汽压缩系统中的各热交换器的有效模式或无效模式的所述多区蒸汽压缩系统的当前构造；

通过向由所述多区蒸汽压缩系统的构造参数化的优化函数提交所述当前构造来更新成本函数中的控制参数的至少一些值，其中，所述优化函数根据所述当前构造来修改所述成本函数的所述控制参数的值；以及使用一组控制输入来控制所述多区蒸汽压缩系统的蒸汽压缩循环，所述一组控制输入通过优化受约束的所述成本函数来确定，其中，所述构造是向量，该向量具有带第一值的元素，该第一值用于处于所述无效模式的所述热交换器，并且该向量具有带第二值的元素，该第二值用于处于所述有效模式的所述热交换器，其中，构造向量中的元素的指数与对应热交换器的指数匹配，其中，所述方法的步骤使用处理器来执行。

11.一种用于控制多区蒸汽压缩系统的方法，该多区蒸汽压缩系统包括压缩机，该压缩机连接到用于控制一组区域中的环境的一组热交换器，该方法包括以下步骤：确定定义所述多区蒸汽压缩系统中的各热交换器的有效模式或无效模式的所述多区蒸汽压缩系统的当前构造；

通过向由所述多区蒸汽压缩系统的构造参数化的优化函数提交所述当前构造来更新成本函数中的控制参数的至少一些值，其中，所述优化函数根据所述当前构造来修改所述成本函数的所述控制参数的值；以及使用一组控制输入来控制所述多区蒸汽压缩系统的蒸汽压缩循环，所述一组控制输入通过优化受约束的所述成本函数来确定，其中，针对包括处于所述有效模式的所有热交换器的完全构造初始化所述控制参数的值，

其中，所述方法的步骤使用处理器来执行。

12.一种用于控制多区蒸汽压缩系统的方法，该多区蒸汽压缩系统包括压缩机，该压缩机连接到用于控制一组区域中的环境的一组热交换器，该方法包括以下步骤：确定定义所述多区蒸汽压缩系统中的各热交换器的有效模式或无效模式的所述多区蒸汽压缩系统的当前构造；

通过向由所述多区蒸汽压缩系统的构造参数化的优化函数提交所述当前构造来更新成本函数中的控制参数的至少一些值，其中，所述优化函数根据所述当前构造来修改所述成本函数的所述控制参数的值；以及使用一组控制输入来控制所述多区蒸汽压缩系统的蒸汽压缩循环，所述一组控制输入通过优化受约束的所述成本函数来确定，其中，所述控制参数包括至少一个分块对角矩阵，在所述矩阵的对角线上的各分块的指数与对应的热交换器的指数匹配，并且针对对应的热交换器确定在所述矩阵的对角线上的各分块的值，其中，所述优化函数在对应的热交换器处于所述有效模式时保存所述分块的值，并且在对应的热交换器处于所述无效模式时修改所述分块的值，其中，所述方法的步骤使用处理器来执行。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述至少一个分块对角矩阵包括其元素补偿所述多区蒸汽压缩系统的输出的性能补偿矩阵Q、其元素补偿所述多区蒸汽压缩系统的控制输入的控制补偿矩阵R、以及其元素补偿所述多区蒸汽压缩系统的状态的终端成本矩阵P中的一者或它们的组合。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述优化函数在对应的热交换器处于所述无效模式时用零替换所述性能补偿矩阵Q的分块的值，其中，所述优化函数在对应的热交换器处于所述无效模式时用零替换所述终端成本矩阵P的分块的值，并且其中，所述优化函数在对应的热交换器处于所述无效模式时用比所述控制补偿矩阵的其它值大的值替换所述控制补偿矩阵R的分块的值。

15.一种永久计算机可读存储介质，在该介质上实施能由处理器执行的程序，以执行以下方法，所述方法包括以下步骤：确定定义多区蒸汽压缩系统中的各热交换器的有效模式或无效模式的所述多区蒸汽压缩系统的当前构造；

通过向由所述多区蒸汽压缩系统的构造参数化的优化函数提交所述当前构造来更新成本函数中的控制参数的至少一些值，其中，所述优化函数根据所述当前构造来修改所述成本函数的所述控制参数的值；以及使用一组控制输入来控制所述多区蒸汽压缩系统的蒸汽压缩循环，所述一组控制输入通过优化受约束的所述成本函数来确定，其中，所述构造是向量，该向量具有带零值的元素，该零值用于处于所述无效模式的所述热交换器，并且该向量具有带非零值的元素，该非零值用于处于所述有效模式的所述热交换器，其中，构造向量中的元素的指数与对应热交换器的指数匹配，其中，针对包括所述有效模式的所有热交换器的完全构造初始化所述控制参数的值。

16.一种永久计算机可读存储介质，在该介质上实施能由处理器执行的程序，以执行以下方法，所述方法包括以下步骤：确定定义多区蒸汽压缩系统中的各热交换器的有效模式或无效模式的所述多区蒸汽压缩系统的当前构造；

通过向由所述多区蒸汽压缩系统的构造参数化的优化函数提交所述当前构造来更新成本函数中的控制参数的至少一些值，其中，所述优化函数根据所述当前构造来修改所述成本函数的所述控制参数的值；以及使用一组控制输入来控制所述多区蒸汽压缩系统的蒸汽压缩循环，所述一组控制输入通过优化受约束的所述成本函数来确定，其中，所述控制参数包括至少一个分块对角矩阵，在所述矩阵的对角线上的各分块的指数与对应的热交换器的指数匹配，并且针对对应的热交换器确定在所述矩阵的对角线上的各分块的值，其中，所述优化函数在对应的热交换器处于所述有效模式时保存所述分块的值，并且在对应的热交换器处于所述无效模式时修改所述分块的值。

17.根据权利要求16所述的介质，其中，所述至少一个分块对角矩阵包括其元素补偿所述多区蒸汽压缩系统的输出的性能补偿矩阵Q、其元素补偿所述多区蒸汽压缩系统的控制输入的控制补偿矩阵R、以及其元素补偿所述多区蒸汽压缩系统的状态的终端成本矩阵P中的一者或它们的组合，其中，所述优化函数在对应的热交换器处于所述无效模式时用零替换所述性能补偿矩阵Q的分块的值，其中，所述优化函数在对应的热交换器处于所述无效模式时用零替换所述终端成本矩阵P的分块的值，并且其中，所述优化函数在对应的热交换器处于所述无效模式时用比阈值大的值替换所述控制补偿矩阵R的分块的值。

说明书

用于控制多区蒸汽压缩系统的系统和方法以及永久计算机可

读存储介质

技术领域

[0001] 本发明涉及蒸汽压缩系统，更具体地涉及用于控制多区蒸汽压缩系统的系统和方法。

背景技术

[0002] 为了执行制冷或制热运行，使得可以维持或改善室内空间中的居住者的舒适性，蒸汽压缩系统(VCS)使热能在低温环境与高温环境之间移动。例如，为了在制冷运行中降低室内温度或减轻热能渗入室内空间的效果，可以从室内空间向室外空间移动热量。相反，为了在制热运行中升高室内温度或减轻热能漏出室内空间的效果，可以从室外空间向室内空间移动热量。

[0003] 多区蒸汽压缩系统(MZ-VCS)包括至少单个压缩机和单个室外热交换器，该单个室外热交换器连接到设置在一个或更多个室内区域中的多个室内热交换器。制冷剂流被分在热交换器之间，并且用设置在室内热交换器与室外热交换器之间的流量计量阀调整。这些流量计量阀还可以充当为了完成蒸汽压缩循环而降低制冷剂温度和压力所需的主压降低装置。取决于连接到压缩机的四通阀的状态，高压制冷剂可以从压缩机流到室外单元(在这种情况下，室外单元热交换器是冷凝器，并且热交换器是蒸发器)或者制冷剂可以从压缩机流到热交换器，并且室内和室外热交换器的角色颠倒。

[0004] 近来功率电子器件和低成本微控制器的进步已经引向变速压缩机、电子控制阀以及变速风扇。必须协调这些致动器的控制，以实现区域温度调节，使能耗最小化，并且强加机器限制，诸如制冷剂的最大安全压力或系统部件的最大安全温度。

[0005] 需要将MZ-VCS的整体操作控制为使得强加各种约束。例如，为了设备安全，不应违反特定最大或最小温度和压力。一些控制器反应性地强加约束，即，一旦检测到危险情况，则采取校正动作。在该策略中，约束的违反可能在控制器发布校正动作的同时发生一段时间，因此，保守地选择发起校正动作的阈值，以考虑可能发生的违反。并且因为最高系统性能的操作机制经常靠近约束，所以具有被设计为远离约束操作的反应约束管理的控制器牺牲了最高性能的区域，参见例如EP2469201。

[0006] 特定于多区系统的一个重要要求是在保持热交换器继续提供服务的同时停用一个或更多个热交换器的能力。无效热交换器以关闭的关联膨胀阀为特征，这使得穿过热交换器的制冷剂流停止，从而防止与对应区域的热交换。另外，将气温调节至设定点的控制目标不适用于热交换器无效的区域中。有效和无效热交换器的特定组合被称为系统构造或仅被称为构造。在商业MZ-VCS中，常见的是具有连接到室外单元的 50个热交换器，这创建250＝1.1×1015个可能构造。在热交换器从有效状态变为无效状态时，MZ-VCS被称为已经重构，并且许可重构的系统被称为可重构的。

[0007] 因此，本领域中需要控制受约束的可重构MZ-VCS的每一个可能构造的系统和方法。

发明内容

[0008] 本发明的一些实施方式的目的是提供用于控制多区蒸汽压缩系统(MZ-VCS)的操作的系统和方法。本发明的一些实施方式的另一个目的是提供这样的系统和方法，其用于使用系统动态学的模型确定并求解优化问题使得实施对MZ-VCS的操作的约束来预测地控制蒸汽压缩系统。一些实施方式的另一个目的是控制许可区域变得有效或无效的MZ-VCS的操作。进一步地，一些实施方式的目的是控制器可以被在线修改为适应特定机器构造，即，有效和无效的热交换器的特定组合。

[0009] 预测控制(例如，模型预测控制(MPC))基于成本函数的迭代有限时域优化，该成本函数描述受控系统的操作，并且具有响应当前情况预测MZ-VCS并采取适当控制动作的能力。进一步地，约束可以包括在该优化问题的公式化中。本发明的一些实施方式基于以下认识：MPC提供包括约束的保证实施的蒸汽压缩系统控制的吸引特性。因为可以保证约束实施，所以更积极约束的选择可以引起更高的性能，诸如更快的房间温度响应或更宽范围的室外空气情况上的安全操作。

[0010] MPC求解优化问题，该优化问题编码与每一个区域的变化如何影响控制目标有关的信息。因为停用区域从根本上改变优化问题的结构，所以需要指定特定于每一个系统构造的不同优化问题，但手动指定每一个构造的优化问题对于大量可能构造不实际。进一步地，编码不同优化问题的多组不同控制器参数将全部需要在运行时可用，这需要比通常可用于嵌入式硬件的显著更多的、用于参数储存的存储。

[0011] 然而，认识到可以获得描述MZ-VCS的动态的结构化模型，其揭示MZ-VCS固有的特定耦合。具体地，一些实施方式基于以下理解：虽然由于室外单元部件引起的变化影响每一个热交换器且各热交换器影响室外单元，但特定热交换器在很大程度上不影响彼此。这种耦合引起展示特定结构的动态模型，即描述从控制输入到测量的 MZ-VCS动态的方程组当以矩阵形式汇集时引起矩阵内的零值和非零值元素的特定模式。

[0012] 还认识到，通过利用该模式，可以由系统构造公式化并参数化优化问题，并且如果给定系统构造，则可以自动获得特定于给定构造的优化问题。进一步地，可以通过将模型结构进一步用于计算结构化控制参数来保证因使用任意特定优化问题产生的闭环稳定性。这样，开发可重构控制系统，其保持对于任意构造稳定的、MPC的约束实施优点，并且在没有对于每一个系统构造手动指定不同优化问题的负担的情况下也这样开发。

[0013] 因此，一个实施方式公开了一种用于控制多区蒸汽压缩系统(MZ-VCS)的系统，该MZ-VCS包括压缩机，该压缩机连接到用于控制一组区域中的环境的一组热交换器。该系统包括：控制器，该控制器使用一组控制输入来控制所述MZ-VCS的蒸汽压缩循环，所述一组控制输入通过优化包括一组控制参数的成本函数来确定，其中所述优化受约束，并且其中，所述成本函数在预测时域上优化；存储器，该存储器存储由定义各热交换器的有效模式或无效模式的所述MZ-VCS的构造参数化的优化函数，其中所述优化函数根据构造修改所述成本函数的所述控制参数的值，；以及处理器，该处理器确定所述MZ-VCS的当前构造，并且通过向所述优化函数提交所述当前构造来更新所述成本函数

[0014] 另一个实施方式公开了一种用于控制多区蒸汽压缩系统(MZ-VCS)的方法，该 MZ-VCS包括压缩机，该压缩机连接到用于控制一组区域中的环境的一组热交换器。该方法包括以下步骤：确定定义所述MZ-VCS中的各热交换器的有效模式或无效模式的所述MZ-VCS的当前构造；通过向由所述MZ-VCS的构造参数化的优化函数提交所述当前构造来更新成本函数中的控制参数的至少一些值，其中，所述优化函数根据所述当前构造来修改所述成本函数的所述控制参数的值；以及使用一组控制输入来控制所述MZ-VCS的蒸汽压缩循环，所述一组控制输入通过优化受约束的所述成本函数来确定。所述方法的步骤使用处理器来执行。

[0015] 又一个实施方式公开了一种永久计算机可读存储介质，在该介质上实施能由处理器执行的程序，以执行以下方法。所述方法包括以下步骤：确定定义MZ-VCS中的各热交换器的有效模式或无效模式的所述MZ-VCS的当前构造；通过向由所述 MZ-VCS的构造参数化的优化函数提交所述当前构造来更新成本函数中的控制参数的至少一些值，其中，所述优化函数根据所述当前构造来修改所述成本函数的所述控制参数的值；以及使用一组控制输入来控制所述MZ-VCS的蒸汽压缩循环，所述一组控制输入通过优化受约束的所述成本函数来确定。

[0016] 定义

[0017] 在描述本发明的实施方式时，以下定义适用于全文(包括上述)。

[0018] “计算机”指能够接受结构化输入、根据规定规则处理结构化输入并产生处理的结果作为输出的任意设备。计算机的示例包括通用计算机；超级计算机；主机；超级迷你计算机；迷你计算机；工作站；微型计算机；服务器；交互式电视；计算机和交互式电视的混合组合；以及计算机和/或软件仿真的专用硬件。计算机可以具有单个处理器或可以并行和/或不并行操作的多个处理器。

[0019] 计算机还指经由网络连接在一起的两个或更多个计算机，该网络用于在计算机之间发送或接收信息。这种计算机的示例包括用于经由计算机处理信息的分布式计算机系统，这些计算机由网络链接。

[0020] “中央处理单元(CPU)”或“处理器”指读取并执行软件指令的计算机或计算机的部件。

[0021] “存储器”或“计算机可读介质”指用于存储可由计算机访问的数据的任意储存器。示例包括磁性硬盘；软盘；光盘，像CD-ROM或DVD；磁带；存储芯片；以及用于承载计算机可读电子数据的载波，诸如用于发送和接收电子邮件或访问网络中的载波；以及计算机存储器，例如，随机存取存储器(RAM)。

[0022] “软件”指操作计算机的规定规则。软件的示例包括软件；代码段；指令；计算机程序；以及编程逻辑。智能系统的软件可以能够自学习。

[0023] “模块”或“单元”指执行任务或任务的一部分的计算机中的基本部件。它可以由软件或硬件二者之一来实施。

[0024] “控制系统”指管理、命令、引导或规定其它装置或系统的行为的装置或一组装置。控制系统可以由软件或硬件二者之一来实施，并且可以包括一个或若干模块。

[0025] “计算机系统”指具有计算机的系统，其中，计算机包括具体实施软件来操作计算机的计算机可读介质。

[0026] “网络”指由通信设施连接的若干计算机和关联的装置。网络涉及诸如电缆的永久连接、诸如借助电话或其它通信链路进行的临时连接和/或无线连接。网络的示例包括互联网，诸如因特网；内联网；局域网(LAN)；广域网(WAN)；以及网络的组合，诸如互联网和内联网。

[0027] “蒸汽压缩系统”指基于热力学、流体力学和/或热传递的原理使用蒸汽压缩循环来使制冷剂移动穿过系统的部件的系统。

[0028] “HVAC”系统指实施蒸汽压缩循环的任意供暖、通风以及空气调节(HVAC) 系统。HVAC系统跨越非常广的一组系统，从仅向建筑物的居住者供给室外空气的系统、到仅控制建筑物的温度的系统、到控制温度和湿度的系统。

[0029] “蒸汽压缩系统的部件”指具有可受控制系统控制的操作的蒸汽压缩系统的任意部件。部件包括但不限于：压缩机，其具有用于压缩制冷剂且将制冷剂泵送穿过系统的可变速度；膨胀阀，其用于在系统的高压部分与低压部分之间提供可调节压降；以及蒸发热交换器和冷凝热交换器，其中的每一个可以包含用于调节穿过热交换器的空气流量的变速风扇。

[0030] “蒸发器”指蒸汽压缩系统中的热交换器，其中，穿过热交换器的制冷剂在热交换器的长度上蒸发，使得热交换器出口处的制冷剂的比焓高于热交换器入口处的制冷剂的比焓，并且制冷剂总体从液体变为气体。在蒸汽压缩系统中可以存在一个或更多个蒸发器。

[0031] “冷凝器”指蒸汽压缩系统中的热交换器，其中，穿过热交换器的制冷剂在热交换器的长度上冷凝，使得热交换器出口处的制冷剂的比焓低于热交换器入口处的制冷剂的比焓，并且制冷剂总体从气体变为液体。在蒸汽压缩系统中可以存在一个或更多个冷凝器。

[0032] “设定点”指系统(诸如蒸汽压缩系统)作为操作的结果而旨在达到并维持的目标值。术语设定点应用于特定的一组控制信号以及热力学和环境参数的任意特定值。

[0033] “热负荷”指由蒸汽压缩系统从低温区域移动至高温区域的热能率。与该信号通常关联的单位为焦耳每秒或瓦特或英国热量单位每小时(BTU/hr)。

[0034] “热容量”指被蒸汽压缩系统中的热交换器吸收的能率。与该信号通常关联的单位为焦耳每秒或瓦特或英国热量单位每小时(BTU/hr)。

[0035] “系统构造”或“构造”指多区蒸汽压缩系统中的已启动热交换器和已停用热交换器的特定组合。

[0036] “有效”热交换器是打开关联膨胀阀(这允许制冷剂进入热交换器)的热交换器。相反，“无效”热交换器是关闭关联膨胀阀(这防止制冷剂进入热交换器)的热交换器。

附图说明

[0037] 图1A是根据由本发明的一些实施方式采用的原理控制的多区蒸汽压缩系统 (MZ-VCS)的框图；

[0038] 图1B是根据由本发明的一些实施方式采用的原理控制的多区蒸汽压缩系统 (MZ-VCS)的框图；

[0039] 图1C是根据本发明的一些实施方式用于控制多区蒸汽压缩系统(MZ-VCS)的方法的框图；

[0040] 图1D是根据本发明的一些实施方式的可重构控制器的示例结构；

[0041] 图2A是根据本发明的一个实施方式用于控制图1A或图1B的MZ-VCS的方法的框图；

[0042] 图2B是图2A的方法的信号图；

[0043] 图3A是根据本发明的一些实施方式用于控制MZ-VCS的可重构控制器的框图；

[0044] 图3B是根据本发明的一个实施方式用于确定适于示例构造的控制参数的方法的流程图；

[0045] 图3C是根据本发明的一个实施方式用于确定适于示例构造的控制参数的方法的流程图；以及

[0046] 图4是根据本发明的一个实施方式用于模型预测控制的方法的流程图。

具体实施方式

[0047] 本发明的一些实施方式的多区蒸汽压缩系统(MZ-VCS)包括在剩余热交换器继续提供服务的同时停用一个或更多个热交换器的能力。比如，居住者可以预期空间中的区域未被占用，并且可以为了不调节被占用空间中的空气降低功耗而关掉热交换器。在这种情况下，停用区域和对应热交换器的决策由在MZ-VCS控制器之外的源(居住者)来确定。

[0048] 另外或另选地，在一个实施方式中，MZ-VCS控制器可以确定，特定区域中的局部制热或制冷负荷低于由热交换器提供的制热或制冷的最小连续可用量，并且可以自动停用热交换器。在这种情况下，MZ-VCS控制器本身已经确定要停用特定区域。在任一情况下，所停用的热交换器以被关闭的关联膨胀阀为特征，并因此没有制冷剂流过热交换器。另外，将气温调节至设定点的控制目标不再适用于热交换器已经被停用的区域中。

[0049] 为此，各种实施方式描述了系统和方法，其用于控制许可启用或停用独立区域的多区蒸汽压缩系统的操作。在一些实施方式中，用于确定到内反馈容量控制器的致动器命令和/或设定点的控制器根据模型预测控制(MPC)的原理来实施，其中，确定致动器命令涉及求解后退时域约束的优化问题。优化问题包括MZ-VCS动态的预测模型和要优化的成本函数。成本函数包括补偿矩阵，其编码系统的期望闭环性能并保证动态稳定性。

[0050] MZ-VCS的构造定义各热交换器的有效或无效模式。停用区域改变构造，并且暗示将不使用关联停用区域中的控制输入，并且将不考虑关联停用区域中的控制目标。控制输入的这种去除和控制目标的变化根本地修改相关优化问题。准备用于经受这种根本结构变化的系统的适当优化问题用要优化的成本函数的控制参数的离线准备以及响应于MZ-VCS构造的变化的控制参数的在线修改中的一个或组合来实现。

[0051] 图1A和图1B示出了根据由本发明的一些实施方式采用的原理由控制器101控制的多区蒸汽压缩系统(MZ-VCS)100的框图。MZ-VCS包括压缩机和被构造为控制一组区域中的环境的一组热交换器。各区域具有至少一个热交换器。例如，在图 1A的一个实施方式中，各区域125或135对应于建筑物中的房间，这使得MZ-VCS 能够向多个区域同时提供制冷或制热。在图1B所示的另选实施方式中，在建筑物的一个房间或区域137中放置多个热交换器，这使得MZ-VCS能够向房间的不同部分提供制冷或制热。

[0052] 在本公开中，为了清楚起见，描绘并描述了二区MZ-VCS，但应理解，受制于制冷剂线路长度的物理限制、压缩机的容量和泵送能力以及建筑法规，可以使用任意数量的区域。如果区域是室内区域，诸如房间或房间的一部分，则热交换器是室内热交换器。

[0053] 压缩机110接收蒸汽状态的低压制冷剂，并且执行机械做功，以提高制冷剂的压力和温度。取决于四通阀109的构造，可以将高温制冷剂路由到室外热交换器(在这种情况下，系统将热量移动至外部环境，并且提供有用制冷且被称为在制冷模式下运行)或路由到室内热交换器(在这种情况下，系统将热量移动至一个或更多个室内区域，并且提供有用制热且被称为在制热模式下运行)。

[0054] 为了清楚起见且为了简化随后的描述，总体考虑制冷模式，即，压缩机如四通阀 109的实线所示的连接到蒸汽压缩系统的其余部分，但应理解，可以用适当替换(例如，冷凝器替换蒸发器、冷凝温度替换蒸发温度等)关于在制热模式下运行的系统进行类似陈述。

[0055] 在制冷模式下，高温高压制冷剂移动至室外热交换器115，并且在空气源蒸汽压缩系统的情况下，关联的可选风扇116跨热交换器送风，其中，空气充当热源或散热器，如图1A或图1B所示。在地面源蒸汽压缩系统的情况下，室外热交换器的部件可以埋设在地下或以其它方式与土地或水直接接触，并且在这种情况下，地面环境充当热源或散热器。热量从制冷剂传递到环境热源或散热器，这使得室外热交换器中的制冷剂从蒸汽冷凝为液体。

[0056] 相变过程(其中，蒸汽制冷剂从饱和蒸汽冷凝为液体和蒸汽这两者的两相混合物，并且冷凝为饱和液体)在蒸汽压缩循环的理想描述中是等温的，即，相变过程在恒定温度下发生，并因此没有可感测的温度变化。然而，如果从饱和液体进一步去除热量，那么饱和液体的温度降低某一量，并且制冷剂被称为“过冷”。过冷温度是相同压力下过冷制冷剂与所计算的饱和液体制冷剂温度之间的温差。

[0057] 液体高温制冷剂离开室外热交换器，并且被歧管117分开，以便将制冷剂分配在随后连接的室内区域125、135或137之间。单独的膨胀阀126、136连接到入口歧管。这些膨胀阀是限制元件，并且使得实质降低制冷剂的压力。因为在阀内没有实质热交换的情况下降低压力，所以实质降低制冷剂的温度，这在蒸汽压缩循环的理想描述中被称为“绝热”。离开阀的结果制冷剂是液体和蒸汽的低压低温二相混合物。

[0058] 二相制冷剂进入室内热交换器120、130，其中，关联风扇121、131使空气跨热交换器移动。表示来自室内空间的热负荷的热量122、132从区域传递到制冷剂，这使得制冷剂从液体和蒸汽的二相混合物蒸发为饱和蒸汽状态。

[0059] 相变过程(其中，制冷剂从饱和液体蒸发为液体和蒸汽这两者的两相混合物，并且蒸发为饱和蒸汽)在蒸汽压缩循环的理想描述中是等温的，即，在恒定温度下发生，并因此是在没有可感测的温度变化的情况下发生的过程。然而，如果向饱和蒸汽进一步增加热量，那么饱和蒸汽的温度升高某一量，并且制冷剂被称为“过热”。过热温度是相同压力下过热制冷剂蒸汽与所计算的饱和蒸汽温度之间的差。

[0060] 离开热交换器的低温制冷剂蒸汽在出口歧管118处再接合到公共流路。最后，低压制冷剂蒸汽返回到压缩机，并且循环重复。

[0061] 在本发明的一些实施方式中，MZ-VCS受控制器200控制。例如，控制器200 求解优化问题，该优化问题编码与每一个区域的变化如何影响控制目标有关的信息。因为停用区域从根本上改变优化问题的结构，所以需要指定特定于每一个系统构造的不同优化问题。

[0062] 控制器200是预测控制器，诸如MPC。一些实施方式基于以下认识：可以确定描述MZ-VCS的动态的、MZ-VCS的结构化模型，该模型揭示MZ-VCS的部件之间的具体耦合。具体地，一些实施方式基于以下理解：虽然由于室外单元部件引起的变化影响每一个热交换器且各热交换器影响室外单元，但特定热交换器在很大程度上不影响彼此。这种耦合引起展示具体结构的动态模型，即描述从控制输入到测量的 MZ-VCS动态的方程组当以矩阵形式汇集时引起矩阵内的零值和非零值元素的特定模式。还认识到，通过利用该模式，可以由系统构造公式化并参数化优化问题，使得如果给定系统构造，则可以自动获得针对给定构造的优化问题。为此，控制器200 是可重构控制器。

[0063] 图1C示出了根据本发明的一些实施方式用于控制多区蒸汽压缩系统(MZ-VCS) 的方法的框图，该MZ-VCS包括连接到用于控制一组区域中的环境的一组热交换器的压缩机。方法由控制器200来执行。例如，控制器200可以包括用于执行方法的步骤的处理器和存储器。

[0064] 方法确定150定义MZ-VCS中的各热交换器的有效或无效模式的MZ-VCS的当前构造155，并且通过向由MZ-VCS的构造参数化的优化函数157提交当前构造155 来更新160成本函数165中的控制参数的至少一些值。

[0065] 优化函数根据当前构造修改对于包括处于有效模式的所有热交换器的完全构造确定的成本函数的控制参数的值。例如，控制参数的结构可以对应于MZ-VCS的模型的结构，使得控制参数与MZ-VCS的热交换器之间存在对应关系。为此，在一些实施方式中，优化函数在对应的热交换器处于有效模式时保存控制参数的值，并且在对应的热交换器处于无效模式时修改分块的值。

[0066] 例如，构造可以是二进制向量，该二进制向量具有带第一值(例如零值)的元素，用于无效模式的热交换器，并且该二进制向量具有带第二值(例如非零值)的元素，用于有效模式的热交换器。这种对应关系例如可以在构造向量中的元素的指数与对应热交换器的指数匹配时建立。

[0067] 例如，由于热交换器的耦合结构，可以对于MZ-VCS的完全构造离线定义控制参数，作为分块矩阵的组合。在矩阵的对角线上的各分块的指数与对应热交换器的指数匹配，并且对于对应热交换器确定在矩阵的对角线上的各分块的值。例如，分块对角矩阵可以包括其元素补偿MZ-VCS的输出的性能补偿矩阵Q、其元素补偿MZ-VCS 的控制输入的控制补偿矩阵R、以及其元素补偿MZ-VCS的终端状态的终端成本矩阵P中的一个或它们的组合。在接收当前构造时，目标函数157在对应的热交换器处于无效模式时用零置换性能补偿矩阵Q和终端成本矩阵P的分块的值，并且其中，优化函数在对应的热交换器处于无效模式时用比控制补偿矩阵的初始值大的值置换控制补偿矩阵R的分块的值。

[0068] 在各种实施方式中，优化函数保存分块对角矩阵的维数，该分块对角矩阵又保存已更新成本函数165的结构。为此，一些实施方式可以受制于约束167优化已更新(即，对于MZ-VCS的特定构造来构造)的成本函数，以确定用于控制MZ-VCS的蒸汽压缩循环的一组控制输入175。例如，控制输入可以为到压缩机110、室外热交换器风扇116、室内热交换器风扇121、131以及膨胀阀126、136中的一个或它们的组合的输入。

[0069] 图1D示出了可重构控制器200的示例结构。控制器200可以包括使用控制输入 175控制MZ-VCS的蒸汽压缩循环的控制器180，诸如以下描述的监督控制器和用于优化成本函数165的求解器中的一个或它们的组合。控制器例如可以使用微处理器或任意其它可编程电子装置来实施，该微处理器或任意其它可编程电子装置接受数字或二进制数据，作为输入，根据在存储器中存储的指令处理输入，并且提供结果，作为输出。

[0070] 另外或另选地，可重构控制器200可以包括：存储器190，其存储由定义各热交换器的有效或无效模式的MZ-VCS的构造参数化的优化函数；以及处理器185，其确定MZ-VCS的当前构造，并且通过向优化函数提交当前构造来更新成本函数。在一些实施方式中，控制器、存储器以及处理器互连，以促进控制器200的操作。例如，处理器185可以用于实施控制器180的一些功能。类似地，存储器190可以包括在其上具体实施程序的永久计算机可读存储介质，该程序可由处理器执行来执行图1C的方法。

[0071] 图2A是根据本发明的一个实施方式用于控制图1A或图1B的MZ-VCS的方法的框图。图2B是图2A的方法的信号图。MZ-VCS 100受可重构控制器200控制，该控制器确定形成随后发行给MZ-VCS的致动器的命令的控制输入。这些命令可以包括压缩机速度命令250、室外单元风扇速度命令251、或热交换器风扇速度命令252、 253。热交换器风扇速度命令另选地可以如以下描述的由居住者来确定。可重构控制器200从设置在系统上的各种位置处的传感器270接收传感器信息271。为了清楚和简单起见，图2A中不描绘传感器的空间设置，并且它们在系统内的精确位置与本发明不相关。另外，控制器从外部源(诸如允许居住者输入期望区域温度的输入界面 230)接收设定点信息231。

[0072] 在一些实施方式中，压缩机速度命令250可以固定于一个或更多个预定设置，或者可以连续改变。类似地，室外热交换器风扇116可以以固定速度操作，或者速度可以连续改变。在一些构造中，室内热交换器风扇121、131可以由MZ-VCS控制器200 确定，或者其速度在居住者希望直接控制室内气流时可以由居住者来确定。在室内风扇速度由控制器来确定的情况下，风扇速度由控制器当作用于操纵系统的操作的控制输入。在室内风扇速度由居住者指定的情况下，风扇速度由控制器当作作用在系统上的测量干扰。膨胀阀126、136受控制器控制，并且可以从完全关闭位置到完全打开位置变化，包括一个或更多个中间位置。

[0073] 在一些实施方式中，MZ-VCS以用于开/关控制的螺线管阀和用于精确流速控制的单独可变打开阀的串联组合来替换电子控制的膨胀阀。与这些致动器关联的控制输入是压缩机旋转频率(CF)命令250、室外风扇速度(ODF)命令251、以及各电子膨胀阀打开位置(EEVi)命令211、221。

[0074] 作用在MZ-VCS上的另外干扰包括与各区域关联的热负荷122、132以及室外气温(OAT)。热负荷是每单位时间从热交换器移动至室外单元的热能量。于是拒绝到室外热交换器温度的大气的总热量，该室外热交换器温度由OAT(干扰信号)和机器致动器的状态这两者来确定。

[0075] 可用传感器270可以包括在图2A和图2B中被标记为271的温度传感器，其测量蒸发温度Te、冷凝温度Tc、压缩机排出温度Td以及各区域中的气温Tri，或者测量其它温度、压力或流速。另外，各热交换器可以包括在图2A和图2B中被标记为 272的热交换器线圈温度传感器(HX线圈)，其测量沿着热交换器的各种位置处的制冷剂温度。

[0076] 如图2A和图2B所示，一些实施方式包括诸如MPC的可重构控制器和N个一组容量控制器。容量控制器210从MPC接收指示期望参考制冷容量的命令202，该期望参考制冷容量与每单位时间由各蒸发器从区域去除的期望热量成比例。容量控制器 210基于线圈温度(HX线圈)272的测量确定生成期望制冷容量的EEV位置的命令 211。这些容量控制器考虑EEV位置对区域温度的影响是非线性的事实。制冷容量控制器对关联的区域温度Tri使来自各区域CCCi的参考制冷容量202的响应线性化。

[0077] MZ-VCS 100加一组容量控制器210、220的组合在这里被称为增强系统。当从可重构控制器200的观点看时，增强系统为线性的，并且展示被利用为对于各构造计算MPC控制器的结构。使用该方法，可重构控制器负责直接确定一些致动器命令，并且确定可以被解释为容量控制器的设定点的其它命令。

[0078] 与被打开或部分打开的阀关联的热交换器被称为“有效”。对于关闭的阀，没有制冷剂进入关联的热交换器，并且蒸发器被称为“无效”。如这里参考的，MZ-VCS 的构造是有效和无效热交换器的组合。更形式地，对于N个热交换器的MZ-VCS，使用符号(x，y)：＝[xT yT]T，提供构造 作为指示区域i在时间t是有效 还是无效的二进制值元素的向量。

[0079] 控制目标可以包括在拒绝热负荷和室外气温的干扰的同时由诸如居住者的外部源提供的、各区域温度Tri到关联的参考温度Triref的调节。进一步地，可以将指示蒸汽压缩循环性能的一个或更多个机器温度驱动至关联的设定点。例如，在一些实施方式中，要将压缩机排出温度驱动至已经对于最佳能量效率确定的参考Tdref。在其它实施方式中，要将蒸发器过热温度Tesh驱动至已经对于最佳能量效率确定的参考 Teshref。还可以为了性能选择另选变量。

[0080] 在一些实施方式中，可以对控制输入实施约束167，其包括最大和最小致动器值 (CFmax和CFmin、ODFmax和ODFmin、等)、以及致动器速率限制(ΔCFmax/s、ΔODFmax/s等)。还可以实施对工厂输出的约束，包括最大压缩机排出温度Tdmax、最小蒸发温度Temin以及最大冷凝温度Tcmax等。另选变量或其组合也可以用于约束。

[0081] 采用不同实施方式的原理的可重构控制器200稳定并实现系统各构造的这些目标，由此，稳定性、参考跟踪、干扰拒绝以及约束实施可以对于有效或无效的热交换器的每一个组合发生。为了实现这些控制目标，基于MZ-VCS的模型的所实现结构开发控制器。模型的该结构导致受约束优化问题的结构化公式化，其可以由系统构造 参数化，并且用于自动生成特定于系统构造的优化问题。接着描述结构化工厂模型。

[0082] MZ-VCS模型的结构

[0083] 本发明的一些实施方式基于统治MZ-VCS的操作的物理学的理解，其揭示导致模型方程的特定结构的因果关系链。具体地，各区域温度取决于局部热负荷和对应热交换器的温度。并且包括压缩机和室外单元热交换器的MZ-VCS的中央部件影响各个热交换器。然而，热交换器不互相耦合。即，一个热交换器的变化不直接影响另一个热交换器。

[0084] 在以矩阵形式书写描述从控制输入到测量的该系统的一组微分方程时，该表示揭示产生有利结构的零值和非零值元素的特定模式。具体地，本公开使用下标0来表示蒸汽压缩系统的非重复部件(例如，压缩机、室外单元热交换器以及关联的风扇)，这被称为“集中子系统”，并且可以被描述为线性时不变(LTI)模型：

[0085]

[0086]

[0087] 而且，本公开使用下标i∈{1,...,N}来表示第i个区域动态(主要为包括容量控制器的线性化效果的、与各热交换器和关联区域空气关联的动态)，这被称为“非集中子系统”，并且可以被描述为一组LTI模型：

[0088]

[0089]

[0090] 其中， 分别表示状态、控制输入以及性能输出，并且 表示集中系统的受约束输出。

[0091] 如从模型方程(1)和(3)得出，非集中子系统的演变取决于集中动态的状态。另一方面，集中动态的演变独立于非集中子系统的状态。该结构反映蒸汽压缩系统与局部区域中的气温之间的相互作用：各区域温度取决于对应热交换器的局部热负荷和状态。另一方面，由于气温对局部热交换器的可忽视影响，集中状态独立于非集中状态。作为该结构的结果，系统的合成Ae矩阵

[0092]

[0093] 是下分块三角形的，在i≠j且i＞0时第(i,j)个分块

[0094] 集中和非集中动态这两者的演变都受各个输入影响。集中控制输入(CF和ODF) 影响制冷容量(CCCi)，因此影响各区域中的温度动态，而非集中控制输入(CCCi) 影响制冷剂系统的集中动态。由于该耦合，系统的Be矩阵

[0095]

[0096] 不具有任何特定结构。本发明利用该模型结构来使用可以由构造信号 参数化的控制参数对优化问题进行公式化。然后，如果给定特定构造，则可以由对控制参数的合适修改来自动获得适于有效或无效的热交换器的任意实例的优化问题。以下描述结构化优化问题和对控制参数执行的修改。

[0097] 公式化预测模型

[0098] 一些实施方式增强模型(1)和(3)，以公式化将干扰、另外约束以及参考设定点并入到递归预测和优化中的预测模型。最初，模型可以用辅助状态来增强，使得预测模型准确预测控制决策对受约束的性能输出的效果。

[0099]

[0100]

[0101] 其中， 表示在预测时域 上恒定的各子系统的辅助偏移状态。这些补偿状态的包括考虑预测模型中的未测量干扰和建模误差。

[0102] 第二增强涉及将输入表达为从之前值的变化：

[0103]

[0104] 其中， 变量的该变化使得能够对控制输入的变化率Δui和致动器位置 施加输入约束。而且，第二增强可以帮助确保稳态输入Δui当在恒定干扰下跟踪恒定参考时为零。

[0105] 另外，状态向量可以用参考信号(即，压缩机排出温度和区域温度的设定点)来增强。特别地，从外因源获得设定点，并且假定设定点在预测时域(即， ri(t+1)＝ri(t)，i＝0，...，N)上恒定。而且，可以对以下区域温度跟踪误差包括积分器：

[0106]

[0107] 以在存在区域体积和热负荷中的不确定性的情况下实现零稳态跟踪误差。将积分器添加到预测模型，并且将它们包括为在成本函数中补偿的性能输出的一部分来提供调整控制参数中的关联元以实现更快的无补偿区域温度响应的机会。

[0108] 通过以所述方式增强预测模型，成本函数被设计为使性能输出的所测量与期望值之间的跟踪误差和积分误差最小化，由此，性能输出对于集中子系统重定义为而且，受约束输出被增强为 以考虑对控制输入和致动器
速率的限制。进一步地，定义外因输入 和增强状态 并且集中子
系统的预测模型可以被写为：

[0109] w0(t+1)＝w0(t)  (9)

[0110]

[0111]

[0112]

[0113] 类似地，分别将 以及 定义为非集中子系统的外因输入、状态、性能以及受约束输出，并且非集中子系统的预测模型被写为：

[0114] wi(t+1)＝wi  (13)

[0115]

[0116]

[0117]

[0118] 虽然致动器位置 是增强状态xi的子集，但已经从(9)-(13)取出状态 并且该状态可以被表达为 如稍后描述的，这允许随着重构系统而单独监测致动器位置，因此维持整个模型结构。最后，通过定义w：＝(w0，...wN)、x：＝(x0，...xN)、Δu：＝(Δu0，...，ΔuN)、z＝(z0，...，zN)以及y＝(y0，...，yN)组合子系统模型，这产生整个系统的预测模型：

[0119]

[0120]

[0121]

[0122] 其中，w∈q，x∈n，Δu∈m，z∈p，y∈w是使得以及xa(t)：＝(w(t)，x(t))定义预测模型的整体状态，其中， w(t)
表示不可控的外因信号(即，参考、干扰等)。

[0123] 而且，增强模型(A，B)在原始工厂模型(Ae，Be)可控时可控。可以从(9)和(13) 计算合成系统矩阵，并且该矩阵具有以下形式：

[0124]

[0125]

[0126]

[0127] 虽然合成状态矩阵A不是下分块三角形的，但合成状态矩阵A具有结构 A：＝Ao+BΩ，其中，Ao是下分块三角形的，并且Ω是分块对角的。一些实施方式利用该结构来设计可重构控制器200。

[0128] 结构化控制公式化

[0129] 由根据MPC的原理设计的控制器求解的优化问题受制于系统动态和约束确定使成本函数最小化的致动器命令。从该优化问题的公式化，应用变换，以生成适于在线执行的该问题的表达。在成本函数仅包括对状态(或输出)以及输入的二次补偿且约束线性地取决于状态、输出和/或输入的情况下，那么变换产生存在公知算法的“二次规划”。为了计算使成本最小化并实施约束的致动器命令，本发明的一些实施方式求解二次规划。

[0130] 对于允许启用或停用热交换器的MZ-VCS，输入和输出的数量对于各构造变化，这需要各构造的不同优化问题。然而，通过利用之前描述的MZ-VCS的模型结构，可以获得优化问题的单个公式化，其中，成本函数中的控制参数被创建为具有与 MZ-VCS的模型的结构对应的结构。

[0131] 具体地，考虑由下式给出的MPC问题公式化：

[0132]

[0133] s.t.xa(i+1|k)＝Aaxa(i|k)+BaΔu(i|k  (24)

[0134] y(i|k)＝Caxa(i|k)+DΔu(i|k  (25)

[0135] z(i|k)＝Eaxa(i|k)  (26)

[0136] Δumin≤Δu(i|k)≤Δumax  (27)

[0137] ymin≤y(i|k)≤ymax  (28)

[0138] xa(0|k)＝xa(k).  (29)

[0139] 优化问题在具有样本时段Ts的离散时间中公式化，并且在每一个时步k，该问题的解是被称为预测时域的下Nm个步长上的控制输入 的序列。在通常的MPC方法中，在该解中编码的第一动作 应用于MZ-VCS，并且在采样时段逝去之后，使用在时间上移位一个步长的相同长度的新预测时域重新计算优化问题。这样，MPC被称为后退时域最佳控制器。

[0140] 在时步k，以优化问题的初始情况xa(0|k)为条件，获得MZ-VCS的状态。基于(17) 创建预测模型(24)-(26)，并且该模型用于将MZ-VCS动态编码成优化问题，提供要在成本函数(23)中补偿的一组性能输出z和要被约束为优化问题的一部分的一组受约束输出y。性能输出可以包括指示所测量区域温度与区域温度设定点之间的差的误差信号。受约束输出可以为从这些性能输出创建的测量、致动器值或虚拟信号。

[0141] 在一个实施方式中，成本函数(23)包括对性能输出的二次补偿z′Qz(其中，z∈p是性能输出的向量，Q是元素补偿对应性能输出的维数p×p的对角矩阵，并且其中，二次项z′Qz产生标量值)。类似地，成本包括对控制输入的二次补偿u′Ru(其中，u∈m是性能输出的向量，R是元素补偿对应控制输入的维数m×m的对角矩阵，并且其中，二次项u′Ru产生标量值)。这些性能输出和控制输入补偿在预测时域上以各时步i处计算。另外，包括所谓的终端成本(仅在预测时域结束时应用，i＝Nm应用)，并且该成本补偿MZ-VCS的预测终端状态。终端成本还是由时步Nm处的预测状态xa∈n+q乘以(n+q)×(n+q)终端补偿矩阵T′PT构成的二次补偿，其中，T是维数n×(n+q)的变换矩阵，使得Txa将状态从稳态解移位，并且P是元素补偿对应状态的维数n×n的对角矩阵。还可以包括对控制输入(27)或对受约束输出(28)的线性约束。

[0142] 通过将控制参数Q和R的元素用作补偿来编码闭环系统的期望瞬态性能，这些补偿指示跟踪特定性能输出或使用特定控制输入以实现控制目标的相对重要性。因此，确定补偿矩阵的元对机器性能是重要的，并且通常必须由试错调整过程来获得。控制器参数P的元被计算为确保结果的闭环系统稳定，这支持可重构MPC的设计。

[0143] 在重构MZ-VCS时，改变输入u、性能输出z以及状态x的数量，这需要优化问题的新公式化。然而，通过利用之前描述的模型结构，可以获得成本函数，该成本函数通过操纵成本函数中的控制器参数Q，R，和P来许可对适当构造的自动再公式化。记住，系统构造被形式地定义为 其作为向量指示区域i在时步k是有效的 还是无效的 因为集中系统总是开启(除非整个机器关闭)，所以将 分配
为一致符号。

[0144] 通过将模型设置为使得使用方程(1)和(3)根据关联的热交换器对性能输出、控制输入以及状态分组，可以在性能补偿Q、控制补偿R以及终端成本P中创建对应的结构。然后基于如在下一章节中描述的给定系统构造 修改这些结构化的控制参数。

[0145] 使用二次规划的可重构MPC

[0146] 图3A示出了根据本发明的一些实施方式的MZ-VCS 100的可重构控制器200的框图，该控制器使用用于确定与可重构MPC方法一致的控制输入的二次规划(QP) 矩阵。

[0147] 构造监督器模块309使用来自MZ-VCS的传感器信息271和指示期望的热交换器启用和区域温度设定点的、来自居住者的信号231，并且确定时步k的适当系统构造 该系统构造被提供给被构造为确定适于特定系统构造的一组QP矩阵380 的模块，其中，QP矩阵与受约束的优化问题关联。QP矩阵被提供给被构造为求解二次规划的QP求解器模块306。QP求解器模块还接收指示MZ-VCS的状态且由状态估计器模块304确定的信号307。状态估计器模块接收来自MZ-VCS的传感器信息和当前的一组致动器命令308，以确定状态估计值。

[0148] 图3B示出了根据一些实施方式用于确定QP矩阵380的方法的流程图。方法的步骤可以由诸如处理器185的处理器来执行。参照图3B，监测305系统构造的变化，并且在已经确定构造的变化时，读取310新构造。将系统构造 提供给修改可重构控制器参数320的模块。可重构控制参数是结构化性能补偿矩阵Q350、结构化控制补偿矩阵R351以及结构化终端成本矩阵P352。这些矩阵在任意重构发生之前计算，并且可以作为控制器设计和调整过程的一部分离线计算。在随后章节中将描述确定这些可重构控制参数的值。

[0149] 图3C示出了用于修改在图3B中被标记为框320的可重构参数的方法的流程图。参照图3C，构造信号 用于修改可重构控制器参数Q，R和P，以获得修改后的控制器参数和 对于停用的热交换器(由 的对应元中的零值元素指示)，在要创建的实例化最佳控制问题中不应考虑对应的性能变量355。因此，用零替换与该性能变量360对应的补偿，因此结果控制器没有减小关联误差信号的动机，因此被从优化问题有效地去除。在多个性能变量与热交换器关联的情况下(例如，可能期望使用各区域的区域温度跟踪误差和区域温度跟踪误差的积分这两者)，那么在Q中存在与单个热交换器关联的多个元，并且用适当维数的零分块块替换这些元。在对于在构造信号的特定实例中停用的每一个热交换器用零替换Q的关联元之后，获得性能补偿矩阵的实例 下标 指示在与特定系统构造 对应的修改之后的可重构参数或信号的特定实例。

[0150] 类似地，可重构控制补偿矩阵R使用构造信号来修改。然而，在这种情况下，用非常大的值替换与和已停用区域361关联的控制输入对应的R中的元。图3C中的元 361指示用∞替换R1。这在实际上相对于R中的其它元应被解释为非常大的补偿。R的对应元中的大值指示控制器不应考虑将对应的控制输入用作操纵MZ-VCS所用的可用自由度。因此，R中的对应元中的非常大的补偿从优化问题有效去除与所停用热交换器关联的控制输入。例如，在一个实施方式中，优化函数在对应的热交换器处于无效模式时用比阈值大的值替换控制补偿矩阵R的分块的值。例如，阈值可以为比对于控制补偿矩阵初始确定的值大的任意数字。例如，阈值可以为比用于优化问题中的海赛函数(Hessian)大的任意数值。例如，阈值可以为由存储器许可且接近∞的任意非常大的数值。

[0151] 在一些实施方式中，可以存在与热交换器关联的多于一个控制输入(例如，容量命令(CCCi)和热交换器风扇速度(IDFi)这两者可以为与区域关联的控制输入)。在这种情况下，为了兼容性而确定维数R和关联的对角分块。在对于在构造信号的特定实例中停用的每一个热交换器用非常大的值替换R的关联元之后，获得控制补偿矩阵的实例

[0152] 最后，类似地修改可重构终端成本矩阵P。在这种情况下，用零值元素替换与和已停用区域362关联的状态对应的P的元。注意，与各热交换器关联的状态的维数可以为一或更大，并且P中的对应分块将具有维持适合性的合适维数。P中的零值分块指示当计算保证稳定性的终端状态时在优化问题中不应考虑与所停用区域357关联的预测终端状态。在对于在构造信号的特定实例中停用的每一个热交换器用零替换P 的关联元之后，获得终端成本矩阵的实例

[0153] 求解实例化的最佳控制问题

[0154] 返回参照图3B，然后连同在存储器中存储且取回325的固定参数376一起使用在修改之后获得的一组实例化控制参数 和 以公式化实例化的最佳控制问题330。实例化的最佳控制问题是实例化的控制参数 和 替换可重构控制参数 Q，R，和P使用的(23)-(29)中的一组方程。在各种实施方式中，对可重构控制参数执行的修改不改变它们的维数，即，矩阵内的元素用零值项或非常大的项置换，这保持它们的原始尺寸。因为可重构控制参数保持它们的维数，并且因为指定最佳控制问题所需的其它参数固定，所以最佳控制问题的每一个实例具有固定且预定的维数。因为不需要再公式化最佳控制问题，所以本发明的该特征启用自动重构-修改成本的补偿，以在维持稳定性的同时且在不公式化新问题的情况下产生去除子系统的效果。

[0155] 在一个实施方式中，为了计算实例化的最佳控制问题的解，应用变换335，以获得表示二次规划(QP)的一组矩阵380，并且将这些矩阵发送340到被构造为求解QP的模块，以便在线执行。

[0156] MPC最佳控制问题(23)-(29)可以被公式化为二次规划问题：

[0157]

[0158] 其中，海赛函数成本矩阵Qp、线性成本矩阵Cp、状态成本矩阵Ωp、约束矩阵Gp、状态约束矩阵Sp以及约束向量Wp从方程(23)-(29)的参数来计算。

[0159] 例如，一个实施方式通过首先在Nm步预测时域上计算“批处理”动态来确定方程(30)的矩阵

[0160] X＝Abxa+BbU  (31)

[0161] Y＝CbX+DbU

[0162] 其中，X＝[xa(0|k)，...，xa(Nm|k)]′是预测的增强状态，U＝[Δu(0|k)，...，Δu(Nm- 1|k)]′是控制输入的预测变化，Y＝[y(0|k)，...，y(Nm|k)]′是Nm步时域上的预测受约束输出，xa＝xa(0|k)是当前增强状态，并且批处理矩阵由下式给出：

[0163]

[0164]

[0165] 批处理动态矩阵Ab、Bb、Cb以及Db不取决于系统构造 MPC最佳控制问题的成本(23)可以根据下式鉴于批处理动态矩阵Ab、Bb、Cb以及Db来书写：

[0166] (Abx+BbU)′Qb(Abx+BbU)+U′RbU  (32)

[0167] 其中，Qb和Rb是批处理成本矩阵，

[0168]

[0169] 其中， 以及 是与构造 对应的修改控制器参数375。然后，二次规划问题 (30)的成本矩阵为：

[0170] Qp＝Rb+Bb′QbBb

[0171] Cp＝2Ab′QbBb

[0172] Ωp＝Ab′QbAb·

[0173] 二次规划问题(30)的约束矩阵Gp、Sp以及wp由下式给出：

[0174]

[0175] 其中， 是单位矩阵，并且 是矩阵的向量。

[0176] 本发明的一些实施方式基于以下观察：对于凸二次规划问题，可以通过求解以下对偶问题找到解u：

[0177]

[0178] 其中，对偶成本海赛函数Qd、对偶状态线性成本矩阵Cd、对偶线性成本向量Cd0以及对偶状态成本矩阵Ωd根据下式从方程(30)中的参数Qp、Cp、Ωp、Gp、Sp以及wp来计算：

[0179]

[0180]

[0181] Cd0＝Wp

[0182]

[0183] 方程(30)的解根据下式从方程(33)的解λ来生成：

[0184] U＝Φλ+Ψx  (34)

[0185] 其中，变换矩阵Φ和Ψ根据下式从Qp、Cp以及Gp来计算：

[0186]

[0187]

[0188] 确定可重构控制参数

[0189] 该章节描述如何由本发明的一些实施方式确定矩阵Q，R，和P。通常，用于确定这些可重构控制参数的过程在离线计算中执行，并且存储在可在在线执行期间由处理器访问的存储器中。

[0190] 在调整或计算过程中确定可重构性能补偿矩阵Q和可重构控制补偿矩阵R。调整这些补偿矩阵的步骤在最佳控制领域中公知，并且这里可以使用标准方法。重要的是这里注意在所有热交换器有效的假定下进行用于确定Q和R的元的调整过程。即，借助所有区域有效的N单元MZ-VCS的补偿矩阵中的元指定闭环控制器的期望瞬态性能。然后应用之前描述的自动重构过程，以对于任意其它构造修改这些矩阵。

[0191] 虽然创建与MZ-VCS模型结构对应地结构化的Q和R不复杂，但确定终端状态补偿矩阵不明显。用于计算终端补偿矩阵的通常方法产生未结构化的矩阵，即，没有可辨别的元素模式的矩阵，因此，没有明显的手段可用于修改P，使得在停用热交换器时实现稳定的反馈系统。

[0192] 一些实施方式基于产生终端补偿矩阵的线性矩阵不等式(LMI)问题的公式化的实现，该终端补偿矩阵具有随后可以在在线重构过程320中修改的期望分块对角结构。通过公式化适当的LMI，创建具有期望对角结构的结构化终端补偿矩阵，其中，对角元可以与特定热交换器关联，并且在停用关联热交换器时用零替换。这样，可以对于 MZ-VCS的每一个可能构造自动创建稳定的受约束最佳控制器。在该章节的剩余部分中描述用于创建结构化终端状态补偿矩阵的LMI问题的细节。

[0193] 本发明的一些实施方式构造具有以下形式的终端成本xa′PTxa＝xa′T′PTxa和结构化终端控制Δu＝KTxa：

[0194] T＝[ -Π Iq]，  (35)

[0195]

[0196] 其中，T∈n×(n+q)描述给定恒定外因输入ws的参数化稳态解xs＝∏ws的特征，并且通过求解以下矩阵方程获得Π∈n×q：

[0197]

[0198] 方程(37)在秩 时可求解。终端控制矩阵K以以下结构为特征，该结构使得集中控制输入Δu0反馈来自所有子系统的状态信息，而相反地，非集中控制输入Δui，  仅反馈其自己的状态信息。所提出的结构将允许在关闭对应的子系统时将终端成本和终端控制器的分块调零。

[0199] 终端成本矩阵P和控制器矩阵K可以通过求解在所有被停用子系统有效时的主问题的线性矩阵不等式来离线确定。一些实施方式将终端成本矩阵P和终端控制矩阵K 表达为P＝-1和K＝P，其中，∈n×n和∈m×n具有以下形式：

[0200]

[0201] 并且通过求解以下线性矩阵不等式来确定：

[0202]

[0203]

[0204] 依赖构造的分块数字终端成本和结构化终端控制设计的上述实施方式使得用户能够通过在计算机中离线求解线性矩阵不等式来设计P和K，将控制器参数展开到微处理器中，并且借助基于读取系统的构造 的简单矩阵操作在线重构控制器参数。而且，一些实施方式保证重构的MPC问题对于系统的任意构造 局部渐进地稳定，并且已修改的终端成本和已修改的终端控制器 满足以下矩阵不等式：

[0205]

[0206] 其中， 和 表示与构造 对应的合成系统矩阵(20)，并且通过消除与无效致动器对应的输入矩阵B中的列来计算，

[0207]

[0208]

[0209] 并且， 是与无效区域对应的元素用零替换的已修改终端控制，并且被表达为：

[0210]

[0211] 注意，K的使用是用于分析目的，并且用于计算展示如方程(35)所示的特定有利结构的对应终端成本矩阵P。然而，公式化实例化的最佳控制问题330不需要控制参数K，因此，不需要K的依赖构造的修改。然而，如之前描述的在线修改320与终端控制器对应的结构化成本矩阵。

[0212] 构造监督器

[0213] 参照图3A，构造监督器模块309确定适当的系统构造，即，有效和无效的一组热交换器。构造监督器从居住者接收指示期望的有效热交换器及其相应的区域设定点温度的信号231。使用该信息且凭借指示所测量区域温度的传感器信息271，构造监督器确定应启动哪些热交换器，使得可以朝向区域温度设定点驱动区域温度。

[0214] 例如，居住者可以使用用户界面模块230来指示特定区域应打开并以特定区域设定点温度操作。然后，为了确定是否应启动关联的热交换器，构造监督器可以将所测量的区域温度与期望的区域温度进行比较。可以是区域比设定点温度冷，并因此构造监督器可以决定停用热交换器。或者，可以是区域比设定点温度暖，并因此构造监督器可以决定启动热交换器。

[0215] 构造监督器可以以以下两种方式中的一种停用区域：(1)可以决定局部情况是使得区域不再需要调节，或者(2)居住者可以指定要关掉的区域。如果要关掉该区域而其它区域中的一个或更多个保持运行，那么由构造监督器停用所指示的区域。

[0216] 图4示出了根据本发明的一个实施方式用于VCS的模型预测控制的方法的流程图。一些实施方式确定401所测量的输出(例如，从MZ-VCS的传感器接收信息)，并且估计402MZ-VCS的状态和构造。接着，方法求解403受约束的有限时间优化问题，向MZ-VCS和/或容量控制器应用404该解的第一步长，并且过渡405到下一控制循环。

[0217] 本发明的上述实施方式可以以大量方式中的任意一个来实施。例如，实施方式可以使用硬件、软件或其组合来实施。当在软件中实施时，可以在任意合适的处理器或处理器的集合上执行软件代码，而不管处理器是设置在单个计算机中还是分布在多个计算机之间。这种处理器可以被实施为集成电路，一个或更多个处理器在集成电路部件中。不过处理器可以使用任意合适格式的电路来实施。

[0218] 而且，这里所概述的各种方法或处理可以被编码为可在采用各种操作系统或平台中的任意一个的一个或更多个处理器上执行的软件。另外，这种软件可以使用若干合适的编程语言和/或编程或脚本工具中的任意一个来书写，而且可以被编译为在框架或虚拟机上执行的可执行机器语言代码或中间代码。通常，在各种实施方式中，可以根据期望组合或分配程序模块的功能。

[0219] 而且，本发明的实施方式可以被具体实施为示例已经被提供的方法。被执行为方法的一部分的动作可以以任意合适的方式来排序。因此，可以构造以下实施方式，其中，虽然动作在例示性实施方式中被示出为顺序动作，但动作以与所例示的不同顺序来执行，这可以包括同时执行一些动作。

[0220] 序数术语(诸如“第一”、“第二”)在权利要求中用于修改权利要求元素，其本身不暗示一个权利要求元素优于另一个权利要求元素的任何优先、在先或顺序或执行方法动作的时间顺序，而是仅用作标签来区分具有特定名称的一个权利要求元素与具有相同名称(但用于序数术语)的另一个元素以区分权利要求元素。