用于工作循环的HVACR设施的自动控制和优化的控制器及使用该控制器的系统和方法

摘要

用于对供热、通风、空调或冰箱（HVAC&R）系统进行自动控制的电子控制器设备，具有：数字再循环计数器，能够截取用于冷却、冰箱或加热的恒温器命令，并用工作在“开启”状态或“关闭”状态的调制的二进制信号来替换所述恒温器命令；以及计算机可读存储介质，包括程序，该程序包括自动配置模式，该自动配置模式能够通过试运行阶段来确定所述HVAC&R系统的基准性能，并能够基于能量消耗、温度调节、湿度调节或功率限制或者其任意组合来确定调整后的性能。该程序可以基于调整后的性能确定来调整所述数字再循环计数器的“开启”和“关闭”状态，以降低能量消耗。

说明书

本申请要求2009年11月18日提交的美国专利申请No.61/262,281以及 2010年6月4日提交的美国专利申请No.12/794,116的权益，在此通过参考 并入其全部内容。

技术领域

本发明涉及用于自动控制和优化经由电力控制系统控制的、包括燃气的、 燃油的以及燃烧丙烷的供热设施的工作循环的（duty cycled）电能消耗设施的 电子控制器。本发明还涉及并入了该电子控制器的供热、通风、空调和冰箱 设施系统以及在这些系统中使用该控制器的方法。

背景技术

已经设计了供热、通风、空调和/或冰箱（“HVACR”或“HVAC&R”） 控制系统来进行两个主要功能：温度调整和除湿。对于碳足迹以及绿色技术 的日益关注已经引导众多与能源有关的改进，包括更有效的制冷剂、可变速 度压缩机和风扇、循环更改以及更有效的燃烧器。尽管可以在最新的 HVAC&R设施中发现这些改进，但是存在仍然在操作的但是通常不能利用这 些与能源有关的改进作为翻新改进的较老外部设施的大的安装基座。

应对能源使用的一般翻新技术包括诸如设置点缩减（setpoint  curtailment）、温度预期、设施分级、可变速度风扇、燃烧器以及压缩机的方 法和代替基于定时器的闭环负载感测。利用这些方法通常难以翻新现有的装 置，因为这些方法高度依赖于HVAC&R设施、配置和安装细节。向现有 HVAC&R系统添加传统的节能方法可能是昂贵并且耗时的。

美国专利No.5,687,139和5,426,620部分涉及在电设施的各个单元的控制 信号线中、比如标准空调单元上的控制信号线——其组合了数字再循环计数 器与电负载的控制线——中的具体控制的开关。控制设备的数字再循环计数 器与预定设置一起使用用于对广阔范围的电力设施提供需要的控制。

本发明人已经认识到将希望提供对于使用优化的工作循环控制的 HVAC&R系统的可翻新的要求控制（demand control）和管理技术，这更适合 于要控制的一个或多个给定的现场负载单元，并且更少依赖于OEM规范、 预先设置和/或安装者判断。

发明内容

本发明的特征是提供一种用于使用优化的工作循环控制的供热、通风、 空调和/或冰箱（HVAC&R）系统的电子控制器设备，其可以自动配置并控制 对于HVAC&R系统中的一个或多个负载设备的最佳“开启”和“关闭”循环 持续时间。

本发明的另一特征是利用电子控制器设备翻新使用优化的工作循环控制 的HVAC&R系统，该电子控制器可以自动配置并控制对于HVAC&R系统中 的一个或多个负载设备的最佳“开启”和“关闭”循环持续时间的执行。

本发明的另外的特征是提供一种对于使用优化的工作循环控制的供热、 通风、空调和/或冰箱（HVAC&R）系统来使用电子控制器设备的方法，该电 子控制器设备可以自动计算并控制对于HVAC&R系统中的一个或多个负载 设备的最佳“开启”和“关闭”循环持续时间的执行。

本发明的另外的特征和优点将在接下来的描述中部分地阐述，部分将是 根据该描述显而易见的，或者可以通过实践本发明而学习。通过在说明书中 所附权利要求中特别指出的要素和组合，将认识到并实现本发明的目标和其 他优点。

为了实现这些和其他优点，并根据本发明的目的，如在此体现和宽泛描 述的，本发明涉及用于对供热、通风、空调或冰箱（HVAC&R）系统进行自 动控制的电子控制器设备，包括：数字再循环计数器，能够截取用于冷却、 冰箱或加热的恒温器命令，并用工作在“开启”状态或“关闭”状态的调制 的二进制信号来替换所述恒温器命令；以及计算机可读存储介质，包括程序， 该程序包括自动配置模式，该自动配置模式能够通过试运行阶段来确定所述 HVAC&R系统的基准性能，并能够基于能量消耗、温度调节、湿度调节或功 率限制或者其任意组合来确定调整后的性能，其中所述程序能够基于所述调 整后的性能确定来调整所述数字再循环计数器的“开启”和“关闭”状态。

本发明还涉及一种供热、通风、空调或冰箱（HVAC&R）系统，包括所 述的电子控制器设备、恒温器以及至少一个HVAC&R负载单元，它们可操作 地连接到电源线。该电子控制器包括：所述的数字再循环计数器，能够截取 用于至少负载单元的恒温器命令，并用工作在“开启”状态或“关闭”状态 的调制的二进制信号来替换所述恒温器命令；以及所述的计算机可读存储介 质，包括程序，该程序包括自动配置模式，该自动配置模式能够通过试运行 阶段确定所述HVAC&R系统的基准性能，并能够基于能量消耗、温度调节、 湿度调节或功率限制或者其任意组合来确定调整后的性能，并且所述程序也 能够基于所述调整后的性能确定来调整所述数字再循环计数器的“开启”和 “关闭”状态。该系统还可以包括至少一个远程温度和/或湿度传感器，可操 作用于感测要被调节温度或湿度的区域中的温度和/或湿度调节，并且所述电 子控制器设备可以操作以从该温度和/或湿度调节中获得温度信号。在一个替 换例中，根本无需使用远程传感器，其中可以从对于设置点的OEM控制信 号定时和现有ASHRAE（美国供热、冰箱及空调工程师协会）数据和滞后温 度值来估计温度信号。

本发明还涉及一种HVAC&R系统，其包括：电子控制器设备，具有所述 的程序以及可选地与位于要调节的区域中的至少一个远程温度和/或湿度传 感器组合的数字再循环计数器，其中该远程传感器可以将关于该区域的温度 和/或湿度调节的数据信号传输到该控制器，并且该控制器可以自动计算并控 制用于该区域中的调节控制的、对于该HVAC&R系统中的一个或多个负载设 备的最佳“开启”和“关闭”循环持续时间的执行，其中该控制器设备可以 用来自该控制器的调制的二进制控制信号来替换该HVAC&R系统的恒温器 控制信号。该远程温度和/或湿度传感器可以是与HVAC&R系统中存在的恒 温器传感器分离的至少一个传感器。或者，在现有恒温器处的传感器的温度 感测能力可以被用作控制器的远程温度传感器。

本发明还涉及一种用于自动控制和管理通过电力供电的HVAC&R负载 单元的负载需求和操作的方法，包括步骤：将控制器电连接在用于负载设备 的恒温器和用于该负载设备的设施负载控制开关之间的控制信号线中，其中 该控制器包括计算机可读存储介质和数字再循环计数器。然后利用该控制器 进行试运行阶段，包括在操作负载设备达多个操作循环时，执行包括自动配 置模式的、从该计算机可读存储介质获得的试运行程序，其中该试运行程序 通过该负载单元的操作的试运行阶段来确定HVAC&R负载单元的基准性能， 并且基于该负载设备的能量消耗、温度调节、湿度调节或功率限制或者其任 意组合来确定调整后的性能。然后，可以截取在该控制器处用于冷却、冰箱 或加热的至少一个恒温器命令，并且所述数字再循环计数器利用工作在“开 启”状态或“关闭”状态的调制的二进制信号来替换所述恒温器命令，用于 基于所述调整后的性能确利用数字再循环计数器程序来调整所述数字再循环 计数器的“开启”和“关闭”状态。

要理解，以上概括描述和以下详细描述都仅仅是示例和说明性的，并且 意图提供对本发明的进一步说明，如权利要求中要求的。

并入本申请中并构成本申请的一部分的附图例示了本发明的实施例中的 一些并且与说明书一起用于说明本发明的原理。

附图说明

图1是根据本发明的一个例子包括电子控制器和与恒温器传感器分离的 远程传感器的HVAC&R系统的框图/示意图。

图2是根据本发明的一个例子包括电子控制器而没有与恒温器传感器分 离的远程传感器的HVAC&R系统的框图/示意图。

图3是根据本发明包括电子控制器和可选的远程温度传感器的HVAC&R 系统的一部分的框图。

图4是根据本发明的一个例子的图3的电子控制器的微控制器的框图。

图5是根据本发明的一个例子的包括电子控制器和可选的远程温度传感 器的图3的HVAC&R系统的一部分的透视图。

图6是根据本发明的一个例子包括电子控制器、可选的远程温度传感器 以及扩展I/O板（或多个）的HVAC&R系统的一部分的框图。

图7是根据本发明的一个例子包括电子控制器、可选的远程温度传感器 以及扩展I/O板（或多个）的图6的HVAC&R系统的一部分的透视图。

图8是根据本发明的一个例子包括电子控制器、可选的远程温度传感器、 扩展I/O板（或多个）以及网络使能的数据集线器（或多个）的HVAC&R系 统的一部分的框图。

图9是根据本发明的一个例子包括电子控制器、可选的远程温度传感器 以及扩展I/O板（或多个）的图8的HVAC&R系统的一部分的透视图。

图10是根据本发明的一个例子包括含有路由器和无线网卡（aircard）调 制解调器的数据集线器的图8的HVAC&R系统的一部分的透视图。

图11是根据本发明的一个例子包括电子控制器、远程用户输入设备以及 具有路由器和USB无线网卡的网络使能的数据集线器的HVAC&R系统的一 部分的框图。

图12是根据本发明的一个例子用于自动编程电子控制器以控制 HVAC&R系统中的数字再循环计数器操作的处理的流程图。

图13是示出根据本发明的一个例子的具有用户接口以及HVAC&R系统 的电子控制器的远程用户输入设备的框图。

图14是示出根据本发明的一个例子用于选择从由电子控制器控制的能 源控制、要求响应控制和DRC控制简档响应中的功率限制控制中选择的配置 模式的图13的用户输入设备的触摸屏幕接口的一个例子的绘示图。

图15是示出根据本发明的一个例子对于以调节的空间（区域）温度经过 一段时间的HVAC&R系统的负载设备的OEM控制器行为和利用电子控制器 经过一段时间如记录所示的OEM控制器命令信号的图示。

图16是示出根据本发明的一个例子在使用在此公开的性能指标的权重 参数的示例设置来操作用于冷却应用的最小能量模式的算法时调节的空间的 温度行为的图示，该图示示出了随电子控制器记录的DRC控制信号和相关联 的调节的空间温度。

图17是示出根据本发明的一个例子在使用积分的二次性能指标的权重 参数的不同设置来操作用于冷却应用的最小能量模式的算法时调节的空间的 温度行为的图示，该图示示出了伴随电子控制器的DRC控制信号和相关联的 调节的空间温度。

图18是示出根据本发明的另一个例子对于以区域温度经过一段时间的 HVAC&R系统的负载设备的OEM控制器行为以及利用电子控制器经过一段 时间如记录所示的调节的空间的温度行为和OEM控制器命令信号。

图19是示出根据本发明的一个例子在操作用于冷却应用的功率限制模 式的算法时调节的空间的温度行为的图示，该图示示出了使用电子控制器的 DRC控制信号和相关联的调节的空间温度。

具体实施方式

本发明部分涉及一种用于使用工作循环控制的加热设施、冷却设施和/或 冰箱设施的可翻新的控制器附加设备，包括可以自动并最佳地计算和控制循 环时间持续时间的执行的集成的自动配置以及数字再循环计数器程序。

本发明包括按任意顺序和/或任意组合的以下方面/实施例/特征：

1．本发明涉及用于供热、通风、空调或冰箱（HVAC&R）系统的自动控 制的电子控制器设备。该设备包括：

数字再循环计数器，能够截取用于冷却、冰箱或加热的恒温器命令，并 用工作在“开启（on）”状态或“关闭（off）”状态的调制的二进制信号来替 换所述恒温器命令，以及

计算机可读存储介质，包括程序，该程序包括自动配置模式，该自动配 置模式能够通过试运行阶段来确定所述HVAC&R系统的基准性能，并能够基 于能量消耗、温度调节、湿度调节或功率限制或者其任意组合来确定调整后 的性能，其中所述程序能够基于所述调整后的性能确定来调整所述数字再循 环计数器的“开启”和“关闭”状态。

2．任意以上或以下实施例/特征/方面的电子控制器设备，其中所述电子 控制器设备还包括优先（override）模式，该优先模式能够进一步调整所述数 字再循环计数器达一段时间。

3．任意以上或以下实施例/特征/方面的电子控制器设备，其中所述电子 控制器设备可操作，其中所述优先模式对影响温度或湿度或这两者的暂时因 素做出响应。

4．任意以上或以下实施例/特征/方面的电子控制器设备，其中对于所述 调整后的性能，所述“开启”状态具有对于每个“开启”状态恒定的值和持 续时间信号，且所述“关闭”状态具有对于每个“关闭”状态恒定的值和持 续时间信号。在试运行之后的算法的第一次重复期间，“开启”和/或“关闭” 状态的持续时间可以与随后的持续时间不同以满足该算法的初始化方面。

5．任意以上或以下实施例/特征/方面的电子控制器设备，其中所述电子 控制器设备操作，其中对所述调整后的性能的所述确定发生两次或更多次。

6．任意以上或以下实施例/特征/方面的电子控制器设备，其中所述电子 控制器设备操作，其中使用HVAC&R系统的当前性能作为基准性能，所述试 运行阶段重复一次或更多次。

7．任意以上或以下实施例/特征/方面的电子控制器设备，其中所述电子 控制器设备操作，其中所述自动配置模式处理来自基准性能的数据或者配置 数据以提供关于最大调节的空间温度、最小调节的空间温度、调节的空间温 度滞后死区、控制器循环时间以及空间温度设置点的估计，并基于所述数据 创建动态数学模型，基于能量消耗、温度调节、湿度调节或功率限制或者其 任意组合来根据输入的性能需求而确定调整后的动态数学模型，并且基于所 述调整后的动态数学模型来调整所述数字再循环计数器。

8．任意以上或以下实施例/特征/方面的电子控制器设备，其中所述电子 控制器设备的所述程序进一步操作，以处理在HVAC&R供热或冰箱负载单元 处感测的或者从该HVAC&R供热或冰箱负载单元接收的与压缩机压力、流体 速率或两者有关的传感器信号。

9．一种供热、通风、空调或冰箱（HVAC&R）系统，包括供热、通风、 空调或冰箱单元以及任意以上或以下实施例/特征/方面的所述电子控制器设 备，该系统用来自所述电子控制器设备的所述调制的二进制控制信号来替换 所述HVAC&R系统的恒温器控制信号。

10．一种用于供热、通风、空调或冰箱（HVAC&R）系统的自动控制的 系统，包括：

恒温器、电子控制器设备、可选的远程温度传感器、至少一个HVAC&R 负载单元，它们可操作地连接到电源线，其中

该可选的远程温度传感器操作来用于感测要调节温度或湿度的区域中的 温度，并经由电源线将关于该温度的信号传输到电子控制器；并且

电子控制器包括（a）数字再循环计数器，其能够截取用于至少负载单元 的恒温器命令，并用工作在“开启”状态或“关闭”状态的调制的二进制信 号来替换所述恒温器命令，以及（b）计算机可读存储介质，其包括程序，该 程序包括自动配置模式，该自动配置模式能够通过试运行阶段来确定所述 HVAC&R系统的基准性能，并能够基于能量消耗、温度调节、湿度调节或功 率限制或者其任意组合来确定调整后的性能，其中所述程序能够基于所述调 整后的性能确定来调整所述数字再循环计数器的“开启”和“关闭”状态。

11．任意以上或以下实施例/特征/方面的系统，其中该电子控制器还包括： 无线收发机，可操作用于与无线以太网络通信；以及扩展I/O接口，用于与 至少一个I/O扩展模块通信，其中该系统操作来用于多个负载单元控制。

12．任意以上或以下实施例/特征/方面的系统，其中该电子控制器还包括： 无线收发机，操作来用于与无线以太网络通信；以及无线RF收发机，操作 来用于与无线RF网络通信；以及扩展I/O接口，用于与至少一个I/O扩展模 块通信，并且还包括至少一个数据集线器，操作来与该电子控制器通信，所 述数据集线器包括路由器和无线网卡或者构建用于与因特网和云服务器链接 的LAN，其中所述系统操作来用于多个负载单元控制以及能量消耗管理和记 录保持。

13．一种用于自动控制和管理通过电力供电的HVAC&R负载单元的负载 要求和操作的方法，包括步骤：

将控制器电连接在用于负载设备的恒温器和用于该负载设备的设施负载 控制开关之间的控制信号线中，其中该控制器包括计算机可读存储介质和数 字再循环计数器；

利用该控制器进行试运行阶段，包括在操作负载设备达多个操作循环时， 执行包括自动配置模式的、从该计算机可读存储介质获得的试运行程序，其 中该试运行程序通过该负载设备的操作的试运行阶段来确定HVAC&R负载 单元的基准性能，并且基于该负载设备的能量消耗、温度调节、湿度调节或 功率限制或者其任意组合来确定调整后的性能；以及

在该控制器处截取用于冷却、冰箱或加热的至少一个恒温器命令，并且 所述数字再循环计数器利用工作在“开启”状态或“关闭”状态的调制的二 进制信号来替换所述恒温器命令，用于基于所述调整后的性能确定、利用数 字再循环计数器程序来调整所述数字再循环计数器的“开启”和“关闭”状 态。

14．任意以上或以下实施例/特征/方面的方法，包括将该程序应用于空调 系统的单个或多个容量压缩机，其中该压缩机操作来接收来自恒温器或BMS 的冷却命令来产生用于冷却调节的空间的供应气体，其中应用的程序最小化 电能使用，同时将调节的空间温度维持在OEM控制器设置点附近。

15．任意以上或以下实施例/特征/方面的方法，其中所述HVAC&R负载 单元是由任何化石或电燃料供电的燃烧器或锅炉系统。

16．任意以上或以下实施例/特征/方面的方法，其中所述HVAC&R负载 单元是可选地包括单个或多个压缩机的冷冻系统。

17．任意以上或以下实施例/特征/方面的方法，在要求响应温度控制模式 中所应用的、将程序应用于空调系统的单个或多个容量压缩机以经由有线或 无线联网传送到该电子控制器的外部提供的温度设置点为条件。

18．任意以上或以下实施例/特征/方面的方法，在功率限制模式中所应用 的、将程序应用于空调系统的单个或多个容量压缩机将设施在特定时间间隔 期间汲取的功率调整到小于或等于功率限制设置点，其中该设置点是内部参 数设置或者通过有线或无线端口传送到该控制器。

19．任意以上或以下实施例/特征/方面的方法，其中自动或者手动地持续 重复执行该试运行模式以捕捉在用于优化的该程序的数学模型中改变负载的 温度影响。

20．任意以上或以下实施例/特征/方面的方法，其中自动或手动地定期重 复执行该试运行模式以捕捉在用于优化的该程序的数学模型中改变负载的温 度影响。

本发明可以包括以上和/或以下在各句子和/或段落中阐述的这些各个特 征或实施例的任意组合。在此公开的特征的任意组合被认为是本发明的部分， 并且对于可组合的特征不意图进行限制。

关于电子控制器设备，对于HVAC&R系统的操作确定并实现的调整后的 性能可以包括基于能量消耗、温度调节、湿度调节和/或功率限制的因素。这 些特征的任意组合是可能的。在考虑这些特征时，可以输入每个特征的重要 性或者为了确定调整后的性能而分配给每个特征的权重。例如，重点可以单 独或者主要放在能量消耗、温度调节、湿度调节或功率限制或者这些因素的 任意组合。在以下所述的示例公式之一中，变量Q表示DRC控制的运行时 间，这将是能量消耗因素的一个例子。通过将重点分配在此变量Q，最终允 许HVAC&R系统的操作的数字再循环计数器的运行时间最小化所累积的运 行时间以便节省能量消耗。当重点放在此因素（或者分配给此因素权重）时， 尤其是当不加重其他因素时，能量消耗降低，并且进一步，结果是环境的湿 度和/或温度可能未达到恒温器命令的设置点。作为另一例子，另一权重变量 可以使R，如下所示，其表示维持例如恒温器的设置点温度。当将重点放在 此加权变量时，调整后的性能将重点放在实现恒温器或者温度传感器的设置 点温度，即使这意味着更高的能量消耗。如果Q和R被分配了相等或者近似 相等的权重，则功率限制模式是可操作的，其中实质上实现了“中庸”方法， 其中在定义的时间间隔期间平均能量消耗降低，并且在数字再循环计数器的 操作期间达到的温度变得更接近达到恒温器（和/或温度传感器和/或其他环境 传感器）的设置点温度，并且当然比单独加重对Q的强调达到更接近的设置 点温度。如下所述的另一变量S将重点放在控制的温度变化。当强调S值时， 这导致在温度设置点周围的更小温度波动，因此存在关于正被加热或冷却的 环境的实际温度的更少变化。无需说明，本发明允许基于对用户重要的因素 或者这些因素的组合来选择性控制调整后的性能，以实现关于这些因素的平 衡。分配给Q、R和S因素的权重可以是任意的正值或者0值的数字，比如：

Q=0-1000（例如0，0.01，0.1，0.5，0.8，1，1.5，2，2.5，3，4，5，10， 50，75，100，150，200，250，500，750，900，1000以及在范围内或者在 提供的这些值内的任意整数或分数）

R=0-1000（例如0，0.01，0.1，0.5，0.8，1，1.5，2，2.5，3，4，5，10， 50，75，100，150，200，250，500，750，900，1000以及在范围内或者在 提供的这些值内的任意整数或分数）

S=1-1000（例如0，0.01，0.1，0.5，0.8，1，1.5，2，2.5，3，4，5，10， 50，75，100，150，200，250，500，750，900，1000以及在范围内或者在 提供的这些值内的任意整数或分数）。

Q、R和S值的任意组合是可能的。例如，Q可以是与R和/或S相同或 比之更大的值（比如至少大10％，至少大20%，至少大30%，至少大50%， 至少大75%，至少大100%，至少大200%，至少大300%，至少大500%等）。 R可以是与Q和/或S相同或者比之更大的值（比如至少大10%，至少大20%， 至少大30%，至少大50%，至少大75%，至少大100%，至少大200%，至少 大300%，至少大500%等）。S可以是与Q和/或R相同或者比之更大的值（比 如至少大10%，至少大20%，至少大30%，至少大50%，至少大75%，至少 大100%，至少大200%，至少大300%，至少大500%等）。

作为选项，在本发明的实施例和/或系统的任意一个中，试运行阶段 （commissioning phase）可以重复一次或更多次以实质上作为重复试运行阶 段。此重复试运行阶段可以按任意时间增量和/或任意次数而发生。此重复试 运行阶段可以按规律和/或预编程的间隔或者可以不规律地进行。例如，重复 试运行阶段可以每30分钟、每小时、每2小时、每3小时、每5小时、每7 小时、每10小时、每12小时、每18小时、每天、每周或者任何其他时间单 位而发生。通过进行重复试运行阶段（或多个），这允许电子控制器设备更好 地了解环境以及在每小时基础或者每天基础或者每周基础、每季节基础等期 间环境中发生的改变。例如，通过进行重复试运行阶段，电子控制器设备可 以更好地了解在当工作者在时和工作者不在时的工作日期间的各种需求。此 外，通过具有重复试运行阶段，尤其是始终进行的重复试运行阶段，电子控 制器设备可以更好地达到期望的调整后的性能，因为重复试运行阶段考虑到 了由于天气（例如晴天、阴天、凉爽天气、热天、雨天等）引起的（例如每 天的）外部环境改变，并且可以进一步考虑其他变量，比如人为变量等。作 为选项，在试运行阶段或者重复试运行阶段期间，恒温器命令按照OEM设 置或者其他更改的设置来运行而没有来自数字再循环计数器的干扰，以便本 发明的自动配置模式可以确定新的基准（baseline）性能，并且通过试运行或 者重复试运行阶段，基于对权重值输入的期望的变量（例如Q、R、S）来确 定调整后的或者新调整后的性能。此外，通过试运行阶段或者重复试运行阶 段，初始的“开启”状态可以具有与随后的“开启”时间不同的“开启”时 间量。例如，如图16所示，将注意到，当区域温度超过高温度滞后（hysteresis） 带宽值并且持续达9个时间单位时，初始的“开启”状态开始，然后是6.5 个时间单位，并且该6.5个时间单位将继续直到下一重复试运行阶段为止。9 个时间单位的初始“开启”状态是允许恒温器从高温度滞后带宽值达到设置 点温度的结果。因此，作为本发明中的选项，“开启”状态或者脉冲可能最初 或者在任何其他时间变化，和/或也可能初始的“关闭”状态或脉冲可以变化。 作为选项，初始的“开启”和/或初始的“关闭”状态或脉冲可以变化，然后 随后获得固定的或者稳定的“开启”/“关闭”样式直到进行重复试运行阶段 为止，这是可选的。

在图19中，在T9到T10时，“开启”状态缩短，因为在此时恒温器命 令发送信号以关闭HVAC&R系统。因此，在本发明中，当电子控制器设备考 虑到此因素正基于调整后的性能运行程序时，能够具有（相对于时间长度的） 变化的“开启”状态和/或变化的“关闭”状态。在试运行或者重复试运行阶 段期间，本发明的电子控制器设备的计算机可读存储介质中的程序可以运行 一个或更多个计算或确定，以便确定达到设置点温度或者其他所选变量的“开 启”/“关闭”时段的最小数量。而且，利用本发明，可以限制在每个OEM 命令期间的“开启”/“关闭”循环的数量，以便控制或者防止整个HVAC&R 系统的过度循环（over-cycling）。当限制值被阐述为程序的一部分时，在确定 DRC的操作时考虑此限制。例如，如在图19中可见，在确定DRC的“开启” /“关闭”循环的数量时，该程序提前考虑在达到设置点温度或者其他选择的 变量的处理时可能发生的DRC的“开启”和“关闭”循环的数量。而且，在 图19中，实质上，变量Q和S被忽略，并且唯一被加权的值是R，这是用于 将设置点温度维持在OEM设置值的变量。实质上，除去由于DRC的“开启” 和“关闭”循环而正在发生的循环的数量——这不能实现能量成本节约—— 之外，图19是OEM恒温器的非常接近的模拟。此外，即使在图19中，在 唯一被加权的值是R的情况下，此值也可以被限制为OEM运行时间的某个 百分比的运行时间，以确保实现能量成本节约并且相对于HVAC&R系统的磨 损和伤害实现其他益处。作为OEM运行时间的百分比的此被限制的运行时 间可以是任意的量，比如从1%到100%，比如10%到90%、20%到80%、30% 到70%、40%到80%、50%到80%、60%到80%等。可以将OEM运行时间的 任意百分比输入到此系统中以进一步限制DRC的运行时间，以便实现百分比 运行时间限制，但是，随着被限制的运行时间值增加，可能折衷所实现的结 果得到的设置点温度。

提供具有自动配置程序的控制器，该自动配置程序可以用于使用特定于 HVAC&R装置的可选的传感器信息而使得对于在负载单元的正常运行阶段 中用于控制的数字再循环计数器（DRC）程序的最佳“开启”和“关闭”周 期持续时间的计算完全自动化。用于使用控制器上的自动配置程序来计算最 佳循环持续时间的方法可以基于涉及适应的标准数学操作的三步过程，其可 以包括数据收集和滤波、建模和/或优化。首先，在正常OEM控制操作期间 收集基准性能数据。然后可以使用例如最小平方技术来减小此数据以创建使 输入的OEM控制器命令信号与调节的空间温度（和/或其他环境因素（或多 个））以及作为输出的设施功耗相关的数学模型。然后可以采用形成该自动配 置程序的一部分的搜索程序（例如基于梯度的程序）以通过调整DRC命令简 档（profile）的“开启”和“关闭”循环持续时间值来迭代地最小化性能指标 （例如时间积分的二次性能指标）。该性能指标（例如二次性能指标）可能不 利于（penalize）设施行为的一个、两个或三个方面，它们是能量消耗、温度 调节和功耗。通过在这三方面之间更改不利值的比例，程序变得能够具有在 由数字再循环计数器程序管理的正常运行阶段中的自动操作的三个不同的模 式，它们是最小能量控制、要求响应控制和功率限制控制。在最小化性能指 标的每次迭代期间，可以通过在自动配置程序中包括的数学模型来处理循环 持续时间值以产生评估下一迭代的性能指标中的二次项所需的温度（和/或其 他环境参数（或多个））和功率值。可以迫使该自动配置程序中所包括的搜索 程序在针对机器短缺循环、DRC控制算法的过度循环和其他机器、健康和/ 或人体舒适问题进行保护的循环持续时间的范围内建立对于循环持续时间的 最佳解决方案。

电子控制器可以进一步可操作，例如其中使用HVAC&R系统的最近的性 能作为基准性能来重复试运行阶段一次或更多次。自动配置模式可以处理来 自基准性能或者配置数据的数据，无论其是初始的还是当前的，以提供对于 最大调节的空间温度、最小调节的空间温度、调节的空间温度滞后死区 （deadband）、控制器循环时间以及空间温度设置点的评估，并基于该数据创 建动态的数学模型，并基于能量消耗、温度调节、湿度调节或功率限制或者 其任意组合来根据输入的性能需求而确定调整后的动态数学模型，并基于该 调整后的动态数学模型来调整数字再循环计数器。

也可以体现在具有自动配置程序的电子控制器中的数字再循环计数器程 序利用调制的二进制控制信号来代替恒温器的控制信号。当恒温器（OEM控 制器）发出冷却或加热的命令时，该数字再循环计数器程序可以截取该命令， 并利用工作在两个状态“开启”和“关闭”的任意一个中的调制的二进制信 号来替换它。无论何时当存在冷却或者加热命令时，此调制的信号替换对于 该设施的恒温器命令信号。当恒温器命令不是要求加热或冷却时，DRC二进 制信号返回到“关闭”状态。DRC控制的主要益处可以是每单位时间更少的 功耗（功率限制）并且在某些情况下是更短的设备运行时间，前者转化为更 低的能量需求电荷，后者转化为更低的能量消耗。适当地调整DRC“开启” 和“关闭”循环持续时间，HVAC&R系统的运行行为缩短，并且更有效地使 用了存储的热的或者冷的能量。通过自动配置程序优化在数字再循环计数器 程序中使用的“开启”和“关闭”循环时间的持续时间。如果安装者基于所 使用的HVAC&R设施的类型以及预期的负载在安装处理期间要为控制器选 择这些值作为预设，比如使用物理开关设置，则这些循环持续时间值可以反 映或者可以不能反映比如依赖于安装者的经验水平以及要控制的具体负载单 元的特性的最佳值。即，给定负载单元可能不能像OEM规范预测的那样准 确进行，负载单元的性能也不能在产品寿命期间保持恒定或稳定，和/或其他 因素可能暂时或永久地影响负载单元性能，这并未被原始预设考虑。在本控 制器上使用的自动配置和数字再循环计数器程序可以自动并交互地为给定负 载单元提供定制的和/或优化的工作循环控制。这可以降低能量成本和/或操作 HVAC&R设施的运行时间。

驻留于其上并且可在其上执行的具有这些自动配置和数字再循环计数器 程序的控制器设备可以用在独立的设备或者联网的（例如LAN、WAN、网络 使能的等）配置中。自动配置和数字再循环计数器程序可以应用于例如使用 例如优化的工作循环控制的、包括基于气、电或油或者任何蒸汽压缩的空调 或冰箱系统（HVAC&R系统）。自动配置和数字再循环计数器程序可以被实 现在连接恒温器（也称为“原始设施制造者控制器”或者“OEM”控制器） 与被控制的HVAC&R设施的信号控制线中安装的电子控制器内。在实施在控 制器带有的微处理器上时，软件程序代码段配置微处理器以创建具体逻辑电 路。自动配置和再循环计数器程序可以各自或者联合地参考至少两个基本反 馈信号，它们是OEM控制信号和调节的空间温度（或其估计）。在供热和冰 箱应用中，为了改进的准确度，可选地可以添加另外的温度、压力或者流体 流动速率信号传感器。可以使用自动配置程序选择并建立并且在正常运行阶 段利用数字再循环计数器程序实施的最小能量控制模式可以应用于按两状态 （二进制）方式、即完全开启或完全关闭来控制工作循环的设施。最小能量 模式可以应用于分级的设施，但是优选地基本的二进制控制存在于每个分级 的级别处。最小能量模式通常不可应用于使用可变速度控制的设施。要求管 理功能可应用于所有HVAC&R设施，无论其OEM控制方法如何。功率限制 功能可应用于所有电力供电的HVAC&R设施，其中电子成本部分基于要求电 荷。所述自动配置和再循环计数器程序可以被实现在例如被设计用于如下的 易于安装的电子附加可联网的控制设备中，例如：（1）最小化现有供热、冷 却和冰箱设施的能量消耗；（2）当发出温度降低命令时提供现有设施的要求 响应控制；和/或（3）自动将现有设施的功耗限制到预定级别以降低有用要 求电荷的预定级别。

可以根据与HVAC&R系统中的远程温度和/或湿度传感器集成或没有与 之集成的不同选项而使用电子控制器。在一个选项中，电子控制器可以与不 同于提供在现有恒温器（例如OEM恒温器）上的任何传感组件（或多个） 的至少一个远程温度和/或湿度传感器集成。例如可以采用X10传感技术用在 这样的HVAC&R系统中，在另一选项中，远程传感器可以利用现有恒温器的 温度传感能力。在另一选项中，根本无需使用远程传感器，其中可以根据对 于设置点的OEM控制信号定时和现有数据以及滞后温度值来估计温度信号。

图1示出包括电子控制器18的HVAC&R系统1，所示的自动配置和数 字再循环计数器程序可以驻留于该电子控制器18上，并且可以从该电子控制 器18执行程序。控制器18和可选的远程温度传感器22可以在系统1中翻新 以提供对至少一个HVAC&R负载单元20的控制，该至少一个HVAC&R负 载单元20提供区域2中的条件控制。电力线10穿过在其中定位了要控制的 至少一个负载单元20的结构处的需给电表（utility meter）12。电表12测量 在该位置处的电能的使用和要求。负载单元20可以是例如空调器、热泵、锅 炉、冰箱系统或HVAC&R系统的其他负载单元。操作的主电力线10通常是 无限制的，并且经由负载控制开关26向负载单元20以及相同结构（未示出） 中的其他负载单元和工具提供操作电力。电力线10可以是例如为HVAC&R 系统1供电以用控制器18来翻新的120伏（VAC）线。要被翻新的系统1具 有连接到HVAC&R负载单元20的至少一个标准恒温器14。恒温器14可以 经由线13连接到电力线10。在一种通常的情况下，当恒温器控制是例如要 求从空调单元（负载单元）冷却时，恒温器14的控制信号线15将传输24伏 的AC电压。控制信号将正常激活主电力线10中的负载控制开关26，以为负 载单元20供电。即，在不存在控制器18时，控制信号线15将控制打开或关 闭负载单元控制开关26，由此打开或关闭操作电力线10的电路并控制操作 电力向负载单元20的流动。控制器18被插入并安装在恒温器14和负载单元 控制开关26之间的某点处的恒温器控制信号线15中。如所示，恒温器线15 可以切断并且在一个切头处连接到控制器18。同样如所示，切断的信号控制 线的剩余部分、称为线24可以在一端处连接到控制器18并且在另一端处连 接到负载控制开关26。控制器18可以物理上安装在例如负载单元20附近的 金属片（未示出）中，比如与负载单元一起使用的标准金属片结构外壳。优 选地，使得这种控制器18陷入控制信号线15（24）中尽可能实际可行地靠 近负载控制开关26。通常能够使得该连接在负载单元本身的物理界限内。例 如可以使得控制器18在控制信号线中的连接在包含了居住用空调单元的压 缩机单元的框架内。例如，控制器18可以安装在金属片外壳中，该金属片外 壳容纳安装在由空调单元支撑的紧密邻近家庭或建筑物的地平面附近的板层 或平台上或者其屋顶上的空调单元的压缩机。还可以通过使得（例如经由电 源线、电源扩展线、直接分脚插头（pronged plug）等）与电力线10的直接 电连接17来对控制器18供电。控制器18可以包括机上用户接口控制19和/ 或可以接收来自远程输入设备21的控制输入，这可以通过接下来在此的其他 描述来理解。

可选的远程温度传感器22可以位于建筑物的区域2中以使用负载单元 20来调节。要被调节温度和/或湿度的区域2可以是例如房间、开放的建筑空 间、冰箱室等。尽管在此例示为使用与现有恒温器分离的单个远程温度传感 器22，但是可以使用多个远程温度传感器（22A等）。如果使用多个远程传 感器，则可以对多个感测的值平均，或者使用中间值，或者另外用于在控制 器18处统计处理。而且，尽管远程传感器单元22在此例示为温度传感器， 但是将理解，远程传感器单元可以替换地或者另外是单独使用或者与远程温 度传感器22组合使用的远程湿度传感器22B。可选的远程传感器22以及如 果使用的远程传感器22A和远程传感器22B被例示在其中恒温器14也定位 为用于对负载单元20的OEM控制的区域。远程温度传感器22可以是能够 经由集成的多个管脚插入到访问希望控制器18的温度和/或湿度控制的区域2 中的电力线10的标准壁装电源插座中。远程温度传感器22还可以在壁装电 源插座处硬连线（hardwire），或者作为模块经由电源线或者电源扩展线而连 接。远程温度传感器22还可以是采用所谓的“X10”技术用于通过电力线10 传输反应由温度传感器单元在区域2中感测的实时温度的信号的设备，其中 可以通过电力线10获取并由控制器18处理该信号。“X10”是用于在为了家 庭自动化而使用的电子设备之间通信的国际开放的工业标准，也已知为 domotics。其主要使用电力线布线用于信号发送和控制，其中信号涉及表示数 字信息的简要无线电频率脉冲串。家庭电布线（即对电灯以及家用电器供电 的布线）可以用于将来自X10设备的数字数据传输到访问该电力线10并且 可以处理信号的一个或多个其他设备。在本发明中，X10信号接收和处理设 备是控制器18。此数字数据可以被编码到例如120-125kHz的载波上，该载 波可以作为脉冲串在50或60HzAC交流波形的相对静态的过零点期间传输。 在每个过零点处可以传输一位。通过采用X10技术，远程传感器22可以将 关于感测的温度的数字数据通过电力线10传输到控制器18。如果使用了远 程湿度传感器，该远程湿度传感器可以是类似地采用“X10”技术用于在通 过电力线传输反映了在要控制的区域中感测的绝对湿度的信号中使用的设 备，其中可以通过电力线10获取并由控制器18处理该信号。远程传感器还 可以利用现有恒温器的温度传感能力。

为了简化的目的，参考图1描述在单个控制信号线中的在控制器18的负 载控制和管理下的单个负载单元20。尽管为了简化在图1的HVAC&R系统1 中仅示出了一个负载单元20，但是HVAC&R系统1可以包括多个单独的负 载，比如例如压缩机单元和控制线圈、风扇和其他类似或不同的负载。本发 明的控制器可以整个连接在该设施的各个子负载的控制线中。换句话说，空 调器可以具有用于压缩机单元和换气扇单元的子负载的单独的控制线。单独 的控制器可以用于控制这些子负载之一或者两者。对于空调单元的所有子负 载的整个电力线通常不按任何方式由本发明的控制器更改。在典型安装中， 压缩机单元可以例如通过预定的关-开周期而循环，而在恒温器需要冷却的全 部时间自始至终，换气扇马达保持持续运行。此外，未在图1的示意图中示 出常用的传统的电接地部件，因为其不是本发明特别关注的问题。

图2示出包括电子控制器18的HVAC&R系统11，所示的自动配置和数 字再循环计数器程序可以驻留于该电子控制器18上，并且可以从该电子控制 器18执行这些程序，其中，如所示，远程传感器可以利用现有恒温器14的 温度传感能力。控制器18可以比如使用电连接线151有线地电连线到现有恒 温器14处的温度传感器22C，或者被配置为从恒温器传感器22C接收感测的 温度以获取与恒温器的传感器处传感的温度对应的信号。与图1中所示的组 件共同的图2中所示的其他组件与其类似。

如所示，在另一选项中，在使用控制器的HVAC&R系统中、比如例如图 1和图2所示的系统中，无论是在现有恒温器处还是其他远程传感器，根本 无需使用远程传感器，可以从用于设置点的OEM控制信号定时以及现有 ASHRAE或类似数据以及滞后温度值来估计温度信号。

图1的电子控制器18例如可以实现在独立的配置或者联网的配置中。图 3-11示出了可以在包含这些配置之一或两者的使用的三种不同规模中实现控 制器的、电子控制器18与除了诸如图1所示的现有恒温器之外的至少一个远 程温度传感器的组合的使用。

图3例示本发明的控制器在独立的配置中的使用。此独立的配置可以例 如在单个负载单元驻留应用中（例如<大约5吨（ton）的HVAC&R负载单元）。 如图3所示，HVAC&R控制系统3包括控制器单元18和可选的远程温度传 感器22，它们连接到120VAC建筑电源主线10。如所示，可选的远程温度传 感器22被安装在希望进行温度控制的区域或空间中。可选的远程温度传感器 22包括电源221，用于将120VAC电力线电压变换为较低的DC电压（例如5 到12伏）以操作传感器组件。温度传感器224感测监视的区域中、比如从-40°C 到125°C的温度中的或者其他所选范围中的周围温度或者空气空间温度。例 如，传感器224可以并入传统的热电偶，该热电偶通过输出可以与热电偶所 位于的区域中的温度相关的低电压信号来至少在此温度范围之上进行测量。 可以采用对热电偶传感器信号进行滤波和线性化的传统技术来在此使用。微 控制器223包括微处理器、存储器和时钟以及通过电力线10传输在100KHz 以上的、比如125KHz的高频信号的功能，该信号包含关于传感器224感测 的温度的数字数据。X10滤波器222是高带通滤波器，其阻挡小于100kHz 的信号的传输，并允许包含关于感测的温度的数据的更高频率的信号通过该 滤波器。

控制器18可以包括例如电源181，该电源181可选地包括传统的下降变 压器（未示出），用于将电力线电压变换为5-20V（D.C.）以对控制器18的基 板上的组件和电路供电。X10滤波器182是高带通滤波器，该高带通滤波器 过滤掉经由电力线10以小于100kHz传输到控制器18的信号和噪声，并允许 更高频率的信号通过并到达微控制器183。微控制器183可以包括例如用于 执行所示的自动配置和数字再循环计数器程序并进行数据收集功能的微处理 器。温度传感器184可以感测控制器18安装处的外部温度。例如，如所示， 控制器18可以安装在金属片中或者在负载单元的外壳中或外壳附近。温度传 感器184可以用于检测在负载单元外壳附近的外部温度并产生可以由微控制 器183处理的反映感测的温度的信号。用户输入开关和显示模块185可以布 置为在控制器18处手动的和/或远程的输入，并显示控制器的状态。信号调 节组件和开关模块186可以接收恒温器输入信号并在微控制器183的命令下 将输出信号传输到HVAC&R负载单元以供控制。

如图4所示，微控制器183可以包括微处理器1832、示出为并入了存储 器1835的计算机可读存储介质1833以及时钟1834，它们所有已经集成在同 一芯片中。也已知为中央处理单元（CPU）的微处理器1832包含提供计算能 力以支持在此所示的控制器功能的算法、逻辑和控制电路。计算机可读存储 介质1833的存储器1835可以包括非易失性存储器、易失性存储器或这两者。 非易失性存储器可以包括例如只读存储器（ROM）或者其他永久的存储器。 易失性存储器可以包括例如随机存取存储器（RAM）、缓冲器、高速缓存存 储器、网络电路或其组合。微控制器183的计算机可读存储介质1833可以包 括嵌入的ROM以及RAM。如在此结合图4-5讨论的，还可以提供用于微控 制器的读/写扩展（快闪）存储器。编程和数据可以存储在包括存储器1835 的计算机可读存储介质1833中。可以为例如所示的自动配置程序1836和数 字再循环计数器程序1837以及用于控制控制器模块18的存储菜单、操作指 令和诸如在此所示的其他编程、参数值等提供程序存储器。自动配置和数字 再循环计数器程序组合地提供存在于控制器18上的集成的控制程序1838。 数据存储器可以用于存储利用与涉及要被控制的负载设备的操作、比如恒温 器命令和调节的空间的所示远程温度传感器（22）相关联的传感器以及温度 传感器184获取的数据。时钟1834提供可以用于确定数字再循环计数器1830 的“开启”和“关闭”状态的开始和终止的定时设备。时钟1834可以是例如 作为可以使用压电材料的振荡晶体的机械共振来建立具有非常精确的频率的 电信号的电子电路的晶体振荡器。例如可以采取传统的石英晶体来用作控制 器18中的时钟。时钟1834提供与核武器14的控制信号状态无关的定时控制。 时钟1834可以用于提供DRC方法中的计数器功能，代替基于恒温器控制信 号线中的信号的频率的脉冲计数。

微控制器183的集成的组件、包括在此所示的组件和特征体现了数字再 循环计数器（“DRC”）1830。DRC通常可以起作用来例如：（1）使用时钟（例 如晶振）以数字方式计数；（2）使用基于自动配置编程的DRC方法致使开关 186打开达预定数量的计数然后关闭达预定数量的计数以控制负载单元；以 及（3）只要OEM（恒温器）控制信号存在，就无限地重复或“再循环”打 开和关闭样式。如所示，数字再循环计数器1830以及用于执行这些DRC功 能的相关联的程序1837可以存在于微控制器183上。

微控制器813可以是例如包括所示的微处理器、存储器和时钟组件的8 位或16位或更大的微芯片微处理器，并且可操作用于输入并执行所示的自动 配置和数字再循环计数器程序。可以商业上获得在此所示的控制程序可以被 输入到的可编程微控制器以提供希望的控制。在此方面的适当的微控制器包 括可从商业供应商获得的那些微控制器，比如微芯片技术公司，Chandler AZ。 在此方面商业上可获得的微控制器的例子包括例如微芯片技术公司的 PIC16F87X、PIC16F877、PIC16F877A、PIC16F887、dsPIC30F4012、以及 PIC32MX795F512L-801/PT；模拟设备ADSP系列；Jennic JN系列；国际半 导体COP8系列；Freescale68000系列；Maxim MAXQ系列；Texas Instruments MSP 430系列；以及由英特尔制造的8051系列等。另外的可能的设备包括 FPGA/ARM和ASIC。可以使用诸如来自微芯片技术公司的MPLAB集成开 发环境的工业开发工具将在此所示的自动配置和数字再循环计数器程序输入 到各个微控制器。

图5是区域温度传感器22和电子控制器18的透视图。如电子控制器18 的表面上所示，可以手动操作按钮选择按钮226来选择应用（例如供热、空 调、冰箱），并且按钮227可以用于选择操作模式（例如试运行阶段、正常运 行、延长运行、旁路）。可以提供控制器18上的状态灯，如例示。

图6例示控制器在诸如多负载单元控制系统的独立或家庭联网的中等规 模HVAC&R配置中的使用。如图6所示，HVAC&R控制系统4包括电子控 制器1800和可选的远程温度传感器22，它们连接到120VAC建筑电源主线 10，并且HVAC&R控制系统4包括扩展I/O板30。可选的远程温度传感器 22可以与图3中的相同，并且电子控制器1800可以与图3的控制器18类似， 具有几个修改。微控制器1831可以包括具有所示的自动配置和数字再循环计 数器程序、数据收集功能以及网络服务器的32位微芯片微处理器。在控制器 1800中使用的无线收发机187（例如无线802.11收发机）允许控制器1800 与无线以太网络的通信。无线收发机187可以与诸如路由器和带有无线调制 解调器的膝上机的其他无线网络（例如其他802.11网络）连接。扩展存储器 188、例如USB拇指盘等为控制器提供外部存储器。可以为扩展输入/输出接 口189提供例如五个输入和两个输出连接器，它们可以与输入/输出（I/O）扩 展模块30或者多个类似的I/O扩展模块通信。电源181、X10滤波器182、 温度传感器184、用户输入开关/显示器185和信号调节和开关186可以与图 3中的系统3中所示的各个组件类似。

I/O扩展模块30可以与多个压缩机单元（未示出）相接口，该多个压缩 机单元可以各自由控制器18来控制。I/O扩展模块30可以包括通信和电力模 块301、微控制器302、温度传感器302（例如PCB上的内部热电偶）以及信 号调节模块304，该信号调节模块304与恒温器输入和输出信号通信，接收 电功耗温度和/或湿度信号。微控制器302可以是例如16位微控制器。模块 30还可以具有与基板的四个导体连接（例如两个用于控制器区域网络 （CAN），两个用于功率），并且可以与多个类似的I/O扩展模块、例如多达 七个或更多I/O扩展模块菊链连接。I/O扩展模块30可以用于连接电能表 （wattnode）和温度传感器输入，并提供可从基板控制的两个数字输出。I/O 控制模块还可以能够接收来自温度传感器22（未示出）的温度信息。代替经 由控制器1800，还可以直接从120V主线（未示出）对I/O扩展模块30供电。

图7是区域温度传感器22、电子控制器1800、I/O扩展模块30和类似于 模块30的另外的I/O扩展模块30A的透视例示。如电子控制器1800的表面 上所示，可以手动操作按钮选择按钮226来选择应用（例如供热、空调和/或 冰箱），并且按钮227可以用于选择操作模式（例如试运行阶段、正常运行、 延长运行或者旁路）。可以提供控制器1800上的状态灯，如例示。

关于图6-7中所示的控制器系统4，无线TCP/IP可以提供至少两个功能 的服务。首先，可以是由安装技术使用来配置控制器的通信方法。而且，房 主或建筑所有者或租客可以使用它来将控制器连接到现有的家庭或小型商用 802.11网络。如所示，此配置中的控制器1800具有内置的网络服务器并且可 以提供用于（1）配置、（2）状态和（3）包括测绘的历史信息的呈现的其自 己的网页。还可以在依赖于应用、例如冷却和供热或冰箱的双配置中提供控 制器1800。在此方面，在图7的控制器1800和I/O扩展模块30和30A的表 面上示出的LED状态灯可以涉及表I中列出的指示。

表I

图8例示联网配置中的HVAC&R控制器1801的使用。如图8所示， HVAC&R控制系统5包括控制器单元1801、远程温度传感器22和连接到 120VAC建筑电源主线10的网络使能的数据集线器40、40A、40B以及扩展 I/O板30、30A和30B。远程温度传感器22可以与图3中的相同，并且电子 控制器1801可以与图6的控制器1800类似，具有几个另外的修改。微控制 器1831也可以包括具有所示的自动配置和数字再循环计数器程序、数据收集 功能和网络服务器的32位微芯片微处理器。无线RF收发机1871可以被包 括在控制器1801中。无线RF收发机1871和/或无线收发机187可以用在控 制器1801中以允许控制器1801分别与无线RF网络和/或无线以太网络的通 信。无线RF收发机187可以是例如无线ZigBee RF802.15.4收发机，使用网 状网络来提供与其他控制器和数据集线器40的双向通信。电源181、微控制 器1831、X10滤波器182、温度传感器184、用户输入开关/显示器185、信 号调节和开关186、扩展存储器188、扩展输入/输出接口189和I/O扩展模块 30（30A）可以与在图6所示的系统4中使用的各个组件类似。基板I/O可以 包括例如五个输入和两个输出连接器，并且可扩展的I/O可以具有用于多个 压缩机地点的例如高达七个CAN接口的I/O模块，作为选项。控制器1801 可以经由无线收发机187与一个或多个数据集线器、比如所示的网关40、40A 和40B通信。类似于单元40A和40B，网关40可以包括：包含网络控制器 的高等级基板401、以及具有路由器的路由器模块，该路由器带有无线网卡 调制解调器（例如GSM因特网访问）或LAN（以太网），用于访问因特网 42和云服务器44。数据集线器40可以是现货设备并且功能上用作TCP/IP和 无线RF之间的网关。其可以包含将来自每个联网的控制器的RF网络与 TCP/IP连接的路由功能。数据集线器可以选地可以包括一个或多个I/O模块 （或多个）。

尽管数据集线器40的主要目的是要用做网关，但是其也可以具有感测I/O 模块的能力。此能力可以用在其中数据集线器被放置在电分发工具附近的情 况下，在此处，可以任意地感测电功耗。可以支持有线CAT5或者无线GSM 访问。此GSM访问可能需要对载波（例如Verizon、TMobile等）的订阅以 及无线网卡。数据集线器可以具有内置的、带有屏幕的网络服务器来配置网 络和数据记录特征。

云服务器44可以对硬件使用租用的服务器空间，并且软件可以被具体设 计用于联网的系统。云服务器可以为消费者、技术人员和系统供应者提供对 数据集线器所服务的建筑的安全访问。该服务器可以托管（host）各个账户及 其对（位于服务器上的）数据和网络的访问权限。从各个控制器记录的所有 数据可以通过RF网状网络通过数据集线器发送，其中数据被改写为TCP/IP 格式并被发送到云服务器，在这里其可以永久被存储。云服务器可以使用公 共域LAMP软件（Linux、Apache服务器、MySQL数据库和PHP应用语言）。 内容管理系统可以基于公共域Druple软件。

图9是区域温度传感器22、电子控制器1801和I/O扩展模块30以及类 似于模块30的另外的I/O扩展模块30A和一个或多个另外的I/O扩展模块30B 的透视图。如电子控制器1801的表面上所示，可以手动操作按钮选择按钮 226来选择应用（例如供热、空调、冰箱），并且按钮227可以用于选择操作 模式（例如试运行阶段、正常运行、延长运行、旁路）。可以提供在控制器 1801上的状态灯，如所示。

图10是连接到具有用于因特网访问的无线网卡403的商用现货路由器 402的控制器1801的透视图。

图11示出包括控制器1801、数据集线器40、因特网42、云服务器44 以及在系统50的控制下的一个或多个HVAC&R负载单元20的网络控制器的 HVAC&R系统50。诸如膝上型计算机的远程用户输入设备21可以经由无线 或者以太网链接23与控制器1801通信。在控制器1801和数据集线器40（以 及图9的I/O扩展模块30和30A）的表面上的状态灯可以与在表II中列出的 指示有关。

表II

图12中示出了用于使用在本发明的控制器上执行的包括自动配置和数 字再循环计数器程序控制程序的处理100的流程图。在安装了包含自动配置 程序和数字再循环计数器程序的电子控制器之后，自动配置程序进入试运行 阶段。在此阶段期间，允许在负载单元上的现有的OEM控制器正常运行达 几个操作循环。理想地，在试运行阶段期间感测并记录两个信号，它们是恒 温器命令和至少调节的空间温度（和/或至少一个其他的环境测量的因素）。 如所示，例如，在其中不存在调节的空间温度传感器的应用中，可以从用于 设置点的OEM控制信号定时以及现有ASHRAE和滞后温度值来估计温度信 号。在冰箱和供热应用中，另外的传感器输入可以用于改进模型准确性。

更详细地，在将控制器安装在连接现有恒温器和负载单元的线中并将控 制器单元安装在金属片中或者负载单元附近以及还可选地分开地将远程温度 传感器（例如作为插入单元）安装在如所描述的要控制器的区域中之后，技 术人员或用户可以用设备上的按钮或开关来打开控制器单元并按下控制器设 备上的按钮或开关以启动控制程序的试运行阶段来经由多个循环将OEM数 据记录在负载单元上。诸如以此方式的OEM数据的记录示出为图12中的步 骤101。诸如用于加热炉或者压缩机的负载单元循环可以包括例如4-8分钟“开 启”-循环/1-5分钟“关闭”-循环或者其他循环。

一旦已经在试运行阶段中记录了性能数据，自动配置程序就可以进行以 下计算。

阶段1：OEM控制性能：从在试运行时段期间收集的性能数据估计以下 度量：估计最大调节的空间温度、最小调节的空间温度、调节的空间温度滞 后死区、OEM控制器循环时间和空间温度设置点。根据这些度量，可以估计 负载循环的“开启”和“关闭”持续时间的初始估计，示出为图12中的步骤 108。如所示，在其中不存在或不使用调节的空间温度传感器的情况下，例如， 可以从ASHRAE 55或者类似的参考中选择空间温度设置点值，并且依赖于 OEM循环时间的持续时间以及外部周围温度，滞后死区可以被指定在例如2 或4华氏度或者其他温度范围。然后可以使用温度设置点和滞后值来计算最 大和最小调节的空间温度值。

阶段2：建模：使得动态数学模型的参数负荷试运行性能数据以对安装 的设施的行为建模，如图12中的步骤102所示。该模型的输入是OEM环境 控制器信号并且该模型的输出是调节的空间温度（或其他环境因素）和对于 电以及燃气供电的设施的设施功耗。基于冷却的牛顿定律，模型形式包含成 比例的并且可能的延迟或电容项，它们用于对冷却线圈或锅炉中的剩余热能 以及经过管道或管线的工作流体的传输动态建模。该动态数学模型用于对调 节的空间的热质量和热电阻建模。基于控制其信号以及可选的设施标牌信息 来估计功耗。

阶段3：优化：使用在阶段2中开发的模型，采用数字搜索方法来估计 定义代替OEM信号控制而要由控制器施加在负载单元上的DRC命令信号的 最佳“开启”和“关闭”时间。这示出为图12中的步骤103。所计算的性能 指标包含三项：（1）能量消耗、（2）调节的空间温度从设置点的变化以及（3） 调节的空间温度变化。每项被规格化并具有分配给其的相关标量惩罚 （penalty）权重变量。通过更改这三个惩罚权重的比率，程序变得能够具有 三个不同的自动操作模式：最小能量控制、要求响应控制和功率限制控制。 选择操作的模式（步骤104）并且任何所选性能指标加权（步骤105）的应用 也被输入，用于进行性能指标评估的目的（步骤103）。

电力成本基于两项：（1）总kW消耗和（2）峰值kW要求。总kW消耗 （理想地）与设施运行时间成比例。峰值kW要求是在15或30分钟间隔或 窗口内kW消耗的最大平均值。峰值kW要求值用于确定建立多少电力费用。 按kWh的不同“倾斜块速率”对电力收费，其每个具有与其相关联的kWh 成本。第一块（首先填充的块）是最昂贵的；第二块（接下来填充的块）是 次昂贵的，等等。给出恒定的总kW消耗，电力的总成本可能通过峰值kW 要求值而变化，使得峰值kW要求值越小，成本越低。燃油和燃气的成本仅 基于一项：总消耗，通常不存在对于燃油和燃气的对于峰值要求的单独收费。 以下时间积分的二次性能指标可以是最小化的基础：

其中：T=设置的性能数据的持续时间（通常是OEM控制器的一个或几个循 环）；u=由规律间隔的“开启”个“关闭”时间构成的DRC二进制控制信号； 当信号是“开启”时u具有值1，并且当信号时“关闭”时具有值0；e₁=DRC 算法和OEM控制温度设置点之间的估计的温度误差；e₂=当由DRC控制信号 激励时模型的估计的温度变化；Q=在DRC控制的运行时间上所放的加权变 量（惩罚）（这最小化DRC的累积运行时间并因此最小化HVAC&R系统的能 量消耗）；R=在将设置点温度维持在OEM设置值（当想要达到设置点温度时 给出或分配此值）的重要性上所放的加权变量（花费）；S=在控制的温度变化 的重要性上所放的加权变量（惩罚）。向S值增加或分配权重将降低控制的温 度的变化，并得到更多的直线控制的温度响应，因此最小化温度波动。

当DRC程序操作在最小能量模式时，选取“Q”加权值以便Qu²具有 比“R”值大得多的量值并且比“S”值稍大的量值，并且通过计算最佳“u” 轨迹来最小化性能指标J。这意味着最小化DRC控制的整体运行时间比维持 设置点温度更重要，但是维持在设置点附近的小的温度变化也很重要。此控 制方法可以应用于电力或者矿物燃料（燃气和燃油）供电的供热和冷却设备。 阶段2模型用于创建评估性能指标中的误差项e₁和e₂所需的温度和功率信号。 当在最小能量模式时，DRC程序以主要最小化设施的能量消耗而其次维持在 OEM控制器设置点附近的调节的空间温度的方式而工作。通常，在DRC温 度设置点和OEM控制器设置点之间存在小误差；但是，DRC温度变化通常 将小于OEM控制器的变化。

当DRC程序操作在功率限制模式时，选取“R”加权值以便Re₁²具有 比“Q”项大得多的量值并且比“S”项稍大的量值，并且通过计算最佳“u” 轨迹来最小化性能指标J。当在功率限制模式时，迫使DRC符合性能指标， 但是还经历将整体DRC运行时间限制到OEM运行时间的一比例，通常是从 大约80%到90%的比例。得到的效果是达到了OEM设置点的DRC控制信号， 但是迫使该信号以如下方式出现：在空间被冷却或供热时，降低改变的整体 调节的空间温度时间比率（梯度）。因为调节的空间温度梯度直接与每单位时 间消耗的功率成比例，因此该控制方法有效地限制了电需求费用并且关于电 力供电的设施使用最有效。此模式、包括现前所述的权重设置也可以用于需 求响应控制。当在需求响应模式时，DRC程序主要操作该设施以维持从外部 源提供并经由本发明的有线或无线联网传送到电子控制器的温度设置点。此 模式用于应对大多数能量服务公司（ESCO）必备的要求响应功能。当在温度 调节模式时，忽略来自OEM控制器的温度设置点命令。

在使用自动配置程序对DRC程序的优化期间，对“u”信号的可允许“开 始”和“关闭”持续时间施加限制（约束）以应对包括短缺循环、燃油缺乏、 冷凝和其他机器和系统健康问题的问题。自动配置程序可以进行基于模型的 优化计算，该优化计算自动为DRC程序确定最佳的“开启”和“关闭”持续 时间。DRC程序的优化可以包括例如包括图12中的步骤103、106、107、109 和110的循环。

在完成阶段3之后，在DRC程序111的控制下，控制程序转变到其正常 运行阶段。在正常运行阶段，数字再循环计数器（DRC）程序可以使用在试 运行期间使用自动配置程序计算的优化“开启”和“关闭”时间值来控制该 设施。在此正常运行阶段，DRC程序能够在包括最小能量、要求响应或功率 限制的三个模式的任意一个中执行。例如，操作的模式可以基于关于控制器 和/或用户经由控制器上的用户输入设备或者可以与诸如图13所示的控制器 18（1800、1801）通信的远程输入设备21选择的模式的默认设置。输入设备 21可以具有例如包括显示器212和控制台213的用户接口211。例如，可以 经由通信链路23（例如RF无线、以太网）经由用户接口211选择操作模式 并将其输入到控制器18（1800、1801）。在图14的例示中，在输入设备21 的显示器211上显示例示的配置模式选择菜单，示出了作为选择选项可用的 自动操作的三个不同模式（在此方面它们可以优先于任何默认设置），它们包 括：（1）最小能量控制；（2）要求响应控制；或者（3）功率限制控制。可以 选择这些操作模式中的一个用于由控制器18（1800、1801）实施。选择配置 模式选项（1）、（2）和（3）之一可以直接经由触摸屏接口或者如光标箭头视 觉上引导、比如由计算机触垫或鼠标光标箭头那样或者经由计算机键盘通过 击键或者音频识别命令控制等来进行。例如可以通过高亮等示出在各选项之 间的试验性选择。例如可以经由触摸屏按钮敲击、鼠标点击经由引导的键盘 击键、音频命令等来确认选项选择。如果用户没有输入配置模式选择，则可 以在程序中编码默认选择，这将奏效。在选择了配置模式之后，通过用户输 入或者通过默认，可以自动分配加权变量Q、R和S以在用于确定J的性能 指标公式中基于先前选择的配置模式对能量消耗、温度调节和功率限制放置 重要性，或者可以在输入设备21上显示未示出的另外的显示以允许技术人员 或用户对这些值做出调整。

电子控制器设备可以包括能够进一步调整数字再循环计数器达一段时间 的优先（override）模式。电子控制器设备可以是可操作的，其中优先模式对 影响温度或湿度或两者的暂时因素做出响应。

在这些方式中，例如，具有所示的自动配置和数字再循环计数器程序的 电子控制器可操作以构成具有已经按自动方式预先配置的调制的二进制控制 信号的恒温器的控制信号。在其他益处和优点之中，例如现有的HVAC&R系 统可以实施本发明的控制器以及其他相关联的传感器和诸如在此例示的附件 以改进能量消耗并降低供热、冷却和冰箱设施的能量成本、监视和/或记录舒 适性和能量消耗信息（数据收集）和/或通过因特网和无线联网双向传输控制 和/或数据捕获信息。通过因特网连接性，使用该控制器的系统能够例如支持 例如在从0%（设施关闭-级别1）到中间循环范围（级别2和3）的缩减循环 的范围内的需求响应控制以及使用数据收集特征的能量节省有效性和功率限 制。

在本发明的控制器的用户享用实用能量效率程序的情况下，例如，联网 的系统还可以提供关于能量消耗和/或缩减的数据捕获和记录，这对于能量服 务公司（ESCO）或者功率效用提供者来说是可接受的。功率限制功能也可以 确保设施从不按比设置点功率值汲取更多的方式操作（这仅对于电消耗）。此 特征可以为消费者提供控制电需求费用的有效方法。而且，通过可选的因特 网连接性，系统能够与支持因特网IP协议的建筑能量管理系统（EMS）以及 使用因特网作为其通信传输机制的智能网格功能相接口。

通过以下例子将进一步阐明本发明，这些例子意图仅仅作为本发明的例 示。除非另外指示，否则在此使用的所有量、百分比、比率等是按重量的。

例子

例子1：

此例子例示了在对于冷却应用以最小能量模式来操作算法时调节的空间 的温度行为。在图15、16和17所示的三幅图中，图15使出了OEM控制的 行为（“OEM控制命令”）及其相应的调节的空间温度（以上）。调节的空间 温度在高死区值和低死区值（68°F和66°F）之间变化。OEM温度设置点 值在这些死区之间中间，并且表示为T^*。OEM恒温器的控制目标是将调节 的空间温度维持在T^*，变化不超过该高死区值和低死区值。

图16和17的图示出两个DRC控制信号及其相关联的、对于权重参数的 两个不同设置的调节的空间温度。在图16的图中，用于计算性能指标（“J”） 的所示的公式的参数被设置为Q=10，R=1，以及S=1。此权重将极大的惩罚 放在降低运行时间上，并将稍微大些的惩罚放在将DRC温度设置点维持在 OEM值以及维持温度信号中的小的变化上。如图16的温度图中所见，温度 从不达到温度死区的低值（66°F），而是在高死区值（68°F）和OEM设置 点值（T^*）之间变化。温度轮廓图的整体时段从OEM值（t2）起不改变，但 是运行时间从16降低到15.5个时间单位。

例子2：

此例子例示了在对于冷却应用在功率限制模式下操作算法时调节的空间 的温度行为。在图18和19的两幅图中，图18的图示出OEM控制的行为 （“OEM控制命令”）及其相应的调节的空间温度（以上）。调节的空间温度 在高死区值和低死区值（T-hi和T-lo）之间变化。OEM温度设置点值在这两 个死区之间的中间，并且表示为T^*。OEM恒温器的控制目标是限制或最小 化在t1时间单位或更小的时间间隔期间（这是例示性的并且被选取为OEM 控制器的“开启”时间）的运行时间。此时间值可以对应于用于计算电需求 费用的时间窗（通常是15或30分钟）。第二目标是对于DRC算法维持与OEM 控制器相同的温度设置点。

在图19的图中，积分的二次性能指标公式的加权参数被设置为Q=1， R=10以及S=1。80%运行时间限制也被施加到DRC控制信号（一个时间段 中的DRC运行时间的目标是OEM运行时间的80%）。如图19的温度图中可 见，温度平均上未维持OEM温度设置点，但是在调节的空间被冷却时，改 变的整体温度时间比率小于OEM控制器的比率。在t1时间单位期间，OEM 控制器运行时间是8个单位，并且DRC运行时间时6.2个时间单位，如希望 的降低近似20%。相关联的效果是将DRC控制器的时段加长为大于OEM控 制器的时段（OEM时段=t2，DRC时段=t11-t3）。

如该例子中所示，包括具有进行基于模型的优化计算的自动配置模式的 控制程序的控制器可以自动确定DRC程序的最佳“开启”和“关闭”持续时 间。

申请人该公开中特别并入了在所有列举的文献的全部内容。此外，当量、 浓度或其他值或参数被给出为范围、优选范围或者优选上限值和优选下限值 的列举时，这将被理解为具体公开了由任意上限范围或优选值以及任意下限 范围或优选值的任意对形成的所有范围，无论是否分别公开了该范围。在在 此列举了数字值的范围的情况下，除非另外阐述，否则该范围意图包括其端 点以及在该范围内的所有整数和分数。不意图将本发明的范围限制到在定义 范围时列举的具体值。

考虑到本说明书和在此公开的本发明的实践，本发明的其他实施例对本 领域技术人员而言是显而易见的。意图将本说明书和例子考虑为仅仅是示例 性的，本发明的实际范围和精神由以下权利要求书及其等效物来指示。