温度控制系统的制作方法

本发明涉及一种温度控制系统。具体实施例涉及环境供暖系统中的锅炉控制。

家用环境供暖系统的常见示例包括由恒温器控制的中央供暖锅炉。当由恒温器测得的在环境中的周围环境温度低于设定的目标温度时，恒温器向锅炉发送供暖呼唤信号以激活锅炉。

然而，传统的设计往往是不准确的。例如，由于供暖呼唤信号通常是二进制的，所以发生锅炉的连续激活直到达到目标温度。但是，在达到目标之后，供暖系统的余热输出可以继续对环境供暖而超出期望目标。结果，温度可能超过由用户设定的目标温度。

在这样的不准确性本身对于用户是不理想的同时，低效的控制方案也会浪费能量并因此增加燃料消耗和运行成本。

本发明寻求减轻与已知控制方案有关的一些问题。

因此，在本发明的第一方面中，提供了一种生成用于温度控制系统的控制信号的方法(如权利要求1所述)，该控制信号具有“开启”状态和“关闭”状态之一，在“开启”状态中，温度控制系统将被激活，在“关闭”状态中，温度控制系统将被停用，该方法包括：接收针对温度受控的环境的目标温度的指示；接收基于环境中的当前温度的测量值而确定的当前温度值；根据目标温度和当前温度值来计算温度误差测量值；确定在环境中的温度变化速率；基于确定的温度变化速率来设置可变误差阈值；生成控制信号，其中所生成的控制信号在第一连续模式中包括基本上连续的“开启”信号，并且其中，在第二脉宽调制(pwm)模式中，按照pwm模型的输出信号包括交替的“关闭”和“开启”周期；并且根据温度误差测量值和可变误差阈值在第一模式和第二模式之间切换。

该方法可以包括：如果温度误差测量值超过误差阈值，则以连续模式生成控制信号，和/或如果温度误差测量值低于误差阈值，则以pwm模式生成控制信号。因此优选将误差测量值计算为正值，其中相对较低的值表示小的误差，相对较高的值表示大的误差。然而，误差值的替代形式可以颠倒或以其他方式改变应用误差阈值的方式，并且这样的替代方案在本发明的范围内。

该方法优选包括响应于确定需要温度控制而根据第一模式或第二模式生成控制信号，并且优选地进一步包括：当不需要温度控制时以第三模式生成控制信号作为基本上连续的“关闭”信号。是否需要温度控制可取决于控制信息或控制计划表(例如，用户是否已经配置温度控制为激活或停止)，和/或取决于当前温度和当前适用的目标温度。更具体地，该方法可以包括基于温度误差测量值来确定是否执行温度控制，优选地，其中，如果误差测量值超过预定的最小误差，则执行温度控制。

该方法优选地包括基于多个温度测量值来计算温度变化速率。无论在何处提及温度测量值(除非上下文另有要求)，这些通常涉及在要对其进行温度控制的环境中测量的温度，并且可以是从温度感测部件接收的原始温度测量，或者可以是如本文别处所述进行预处理。

该方法优选地包括在操作期间重复(通常周期性地)执行速率确定和阈值设置步骤以生成控制信号，优选地包括使用当前可应用的(例如最近设置的)误差阈值来选择连续或pwm模式，以生成信号。因此，速率确定和/或阈值设置可以在正常操作期间基本上连续地(或准连续地)发生，其中当前阈值影响模式选择，使得阈值应用随所确定的温度变化速率而动态变化。速率确定和阈值设置可以按相同的计算间隔或以各自不同的间隔重复。

确定和设定步骤优选地(仅)在温度控制系统已经被连续地激活达预定时间段之后执行，优选地，其中，误差阈值被设定为在该时间之前的预定(例如固定的)值。

优选地，基于对应于预定时间段的一组温度样本来计算(或估计)温度变化速率。计算温度变化速率可以包括应用曲线拟合算法来将曲线(例如，直线)拟合到该组温度样本并且从该曲线确定温度变化速率。温度变化速率的计算值可以另外被低通滤波。

当确定的温度变化速率小于预定值时，该方法优选地包括将可变误差阈值设置为预定值，可选地为零。因此，当确定的温度变化速率小于预定值时，优选不使用pwm模式。这防止了当温度变化速率低时，pwm的应用(其延迟达到目标温度)。

该方法可以进一步包括根据所计算的温度误差测量值从多个预定的pwm模型中选择pwm模型，每个模型定义用于控制信号的模型片段的序列，每个片段对应于“启动”信号状态或“关闭”信号状态；并基于所选pwm模型生成控制信号。该特征也可以作为本发明的独立方面来提供。

因此，在本发明的另一方面中，提供了一种生成用于温度控制系统的控制信号的方法(如权利要求13所述)，所述控制信号具有其中温度控制系统将被激活的“开启”状态以及其中温度控制系统将被停用的“关闭”状态，所述方法包括：存储定义多个脉宽调制pwm模型的信息，每个模型包括用于控制信号的模型片段的序列，每个片段对应于“开启”信号状态或“关闭”信号状态；接收温度受控的环境的目标温度的指示；接收基于所述环境中的当前温度的测量值而确定的当前温度值；根据目标温度和当前温度值计算温度误差测量值；根据所计算的温度误差值来选择pwm模型；并基于所选的pwm模型生成控制信号。

以下可选特征可以应用于本发明的上述方面中的任一个。

每个模型片段可以对应于用于片段持续时间的预定的(可选地但不一定相等的)信号持续时间，生成步骤优选地包括针对所选择的模型的每个片段生成由pwm模型针对该片段所指定的“开启”或“关闭”输出信号。

基于所选择的pwm模型生成控制信号优选地包括重复生成具有指定模型的信号，优选直到所选择的pwm模型改变或者直到信号生成模式改变为止(例如，根据上面提出的本发明的第一方面)。

当温度误差测量满足用于以pwm模式下生成输出信号的一个或多个预定标准时，优选地执行选择和生成步骤。预定标准可以包括以下之一或两者：温度误差测量值满足或超过预定的最小误差，可选地为零；温度误差测量不超过或低于对于pwm操作的预定的最大误差。pwm操作的预定义最大误差优选地基于所计算的环境温度变化速率来动态选择，可选地如上所述。

当以第一序列顺序(例如向前顺序)处理时，每个模型优选地以“关闭”周期开始，并且优选地以“开启”周期结束。生成优选地包括：如果当前测量的温度值接近目标温度，则以第一序列顺序应用模型，其中pwm模型的第一片段被定义为安装第一序列顺序的“开启”片段。该生成可以包括：当在过冲目标温度之后返回到pwm信号生成时，以第二序列顺序(优选地，第一序列顺序的逆向)应用模型，优选地，其中模型的第一个遇到的片段是按照第二序列顺序的“开启”片段。

每个模型的模型片段可作为条目存储在列表或表格行(或其他线性排序的数据结构)中，该方法包括以第一或第二序列顺序对列表或表格行(或其它数据结构)进行索引。

优选地，计算温度误差测量值包括：确定目标温度与当前温度值之间的当前温度差，温度误差测量值是基于当前温度差。计算温度误差测量可以包括：基于当前温度差和基于积分器项的贡献来添加贡献，积分器项优选地基于过去的温度差的总和。

计算步骤可以包括仅当满足一个或多个预定更新标准时才将当前温度差添加到积分器项。优选地，该方法可以包括：如果温度误差(或其绝对值)低于预定阈值，则更新积分器，该预定阈值优选对应于pwm信号生成模式的阈值(例如根据上述本发明的第一方面)。该方法可以包括：如果目标温度已经降低并且测得的温度还没有下降到该降低的目标温度以下，则不更新积分器。该方法可以替代地或附加地包括(优选地在目标温度升高之后)在温度误差测量值已经在预定的阈值内达预定的持续时间之后更新积分器，并且优选地，其中目标温度在该持续时间内保持恒定。

积分器值可被限制为最大值，优选地，该最大值根据pwm阈值(例如，如前所述)来动态地选择。计算步骤可以包括将积分器值缩放第二值，第二值优选根据(并且优选地与目标温度成比例)目标温度来选择。第二值也可以取决于(优选地与参考温度值成反比)参考温度值。第二值可以可替代地或附加地取决于例如通过根据环境的当前温度与外部温度之间的差而确定的外部温度(在其环境受到温度控制的建筑物的外部)。

接收基于环境中的当前温度的测量值而确定的当前温度值可以包括接收一个或多个温度测量值，并且预处理该(一个或多个)温度测量值以生成当前温度值。例如，预处理温度测量值可以包括过滤温度测量值和/或可以包括生成延迟补偿的温度值。该方法可以包括预处理温度测量以补偿温度控制系统内的滞后，从而生成引导实际测量的信号的温度信号。这些功能也可以独立提供。

因此，在本发明的另一方面(如权利要求35所述)中，提供了一种生成用于温度控制系统的控制信号的方法，包括：从温度传感器接收一系列温度测量值；处理所述温度测量值以补偿与所述温度控制系统相关联的滞后，所述处理包括基于所述温度测量值生成一系列延迟补偿的温度值；并且基于经延迟补偿的温度值生成控制信号。

处理步骤可以包括：将超前补偿器应用于所测量的温度值，超前补偿器优选地根据与温度控制系统相关联的系统延迟的估计来配置。处理步骤可以包括：对温度测量值应用滤波函数，滤波函数优选地计算当前测量的温度值和至少一个先前测量的温度值(例如(紧接)前面的温度值)的加权和，根据采样间隔和延迟时间常数中的一个或多个可选地对贡献进行加权。该方法可以包括通过从加权和减去在前的延迟补偿的温度值来计算当前经延迟补偿的温度值。

生成步骤可以包括：将经延迟补偿的温度值作为输入提供给诸如时间比例积分(tpi)控制算法(或任何其他比例-积分-微分(pid)型控制系统)的温度控制算法，以及/或用于估计环境中的温度变化速率的速率估计器，优选如本文其他地方所述。生成步骤可以包括执行如本发明的任何之前或随后定义的方面中阐述的方法。

在本发明的另一方面(如权利要求41所述)中，提供一种生成用于温度控制系统的控制信号的方法，包括：接收控制计划表信息，该控制计划表信息指定一个周期内的目标温度和开始时间，在该周期期间将根据目标温度进行温度控制；在开始时间之前的时间进行操作的控制处理期间，重复执行以下步骤：确定环境中的温度变化速率；基于所确定的变化速率，确定温度控制系统达到目标温度所需的时间的估计；并根据所确定的估计生成控制信号。

因此，优选重复或周期性地计算变化速率(下文中称为升温速率)，其中时间估计值受到速率计算的动态影响(通过使用当前适用的速率值，例如最近计算的值)。速率计算可以按照与本发明的先前定义的方面有关的方式进行。

生成步骤可以包括：生成控制信号以在比开始时间早的时间根据目标温度激活温度控制系统。因此，可以在预定时间之前激活温度控制系统，从而更接近预定时间地实现目标温度，从而允许系统在控制环境温度方面的预期响应性。

优选地，所述周期是计划表中的在当前时间之后定义的下一时间周期，所述方法优选地包括：将针对当前时间周期的目标温度设置成为针对下一时间周期定义的目标温度。换句话说，可以在规划的时间之前选择下一个目标温度。

该方法可以包括响应于确定以下各项中的至少一个，生成控制信号以在开始时间之前激活温度控制系统：直到开始时间的剩余时间不大于估计时间；直到开始时间放入剩余时间不大于最大时间(其可以是可配置的)。优选地，如果一个或者优选地两个标准都不被满足，则不发生提前激活。

时间的估计可以基于可配置的修改器来缩放。

控制信号可以使用在本发明的任何之前定义的方面中阐述的方法来生成。

在所描述的任何方面中，所述方法可以包括将控制信号输出到温度控制系统，温度控制系统优选地基于控制信号(例如通过激活/停用锅炉或其他温度控制装置)执行环境温度控制。温度控制系统可以包括：环境供暖系统(其可以是或包括中央供暖锅炉，控制信号被提供给该中央供暖锅炉)。这种环境供暖系统优选使用所描述的控制过程来执行环境供暖(在诸如住宅的建筑物内的环境中)以达到配置的目标温度。目标温度也可以被称为设定点。

本发明进一步提供了一种系统或设备，例如，以具有处理器或控制电路的控制模块的形式，所述系统或设备具有用于(或适于)执行如本文(包括在本发明的上述定义的方面中)所述的任何方法的装置。这样的系统/设备可以包括具有相关的存储器的处理器，其被配置用于例如通过存储在存储器中的软件代码来执行本文公开的任何方法。

本发明进一步提供了一种(有形的，非暂时性的)计算机可读介质或计算机程序产品，其包括适于在数据处理设备上执行时执行如本文所述的任何方法的软件代码。

本发明延伸到大致如本文参照附图所描述的方法和/或装置。

本发明的一个方面中的任何特征可以以任何适当的组合适用于本发明的其他方面。特别地，方法方面可以应用于装置和计算机程序方面，反之亦然。

此外，用硬件实现的特征通常可以用软件来实现，反之亦然。此处对软件和硬件功能的任何引用都应该相应地解释。

现在将参照附图仅仅以举例的方式描述本发明的优选特征，在附图中：

图1示出了家用供暖系统；

图2示出了锅炉控制模块对锅炉的控制；

图3说明生成供暖呼唤(cfh)信号；

图4描绘了温度曲线和相关的cfh信号；

图5示出了在恒温器处的温度测量；

图6a和图6b说明了用于生成cfh信号的脉宽调制模型；

图7更详细地示出了cfh信号生成处理；以及

图8示出了适于执行cfh信号生成的锅炉控制模块。

概述

本发明的实施方式提供用于控制家用供暖系统的系统和相关的控制算法。

图1示出了可以应用本发明的示例性家用供暖系统的部件。供暖系统100包括可编程的恒温器102，其与锅炉控制模块104无线连接。锅炉控制模块通过有线连接与中央供暖/热水锅炉106连接。锅炉例如可以是传统的燃气锅炉，被布置为向用户家中的一系列散热器和热水箱提供热水供应，以便继续供应给热水龙头。

恒温器102和锅炉控制模块104进一步无线连接到供暖系统集线器108。集线器108连接到用户的家庭网络和/或互联网接入基础设施。例如，在典型配置中，供暖系统集线器108经由有线连接被连接到无线或有线家庭路由器/接入点112，家庭路由器/接入点转而通过调制解调器114(诸如adsl或光纤调制解调器)提供对因特网的访问。根据接入技术，路由器112和调制解调器114可以组合在单个设备中，或者被适合于接入技术的其他接入设备代替。

因此，供暖系统集线器108充当供暖系统100与其他本地网络设备(例如，用户设备110)以及外部网络之间的网关。恒温器102、锅炉控制模块104和集线器108优选地以网状配置连接，使得恒温器和接收器之间的通信可以是直接的或通过集线器。

恒温器102使用温度传感器测量环境温度并将温度信息发送到锅炉控制模块104。

锅炉控制模块104存储编程的计划表并基于计划表和经由恒温器102、其他用户设备110/116和/或远程服务器120接收到的直接控制信息来控制锅炉以将环境供暖和热水切换为开启以及关闭。

在一个示例中，用户可以在无线恒温器102处编程日常供热计划表，并且恒温器将该计划表发送到锅炉控制模块104。然后，锅炉控制模块使用该计划表以及从恒温器接收到的温度测量值来根据需要使锅炉开启或关闭，以达到计划表中指定的目标温度。代替计划表操作，也可以根据手动设定(例如手动目标温度)来控制锅炉。目标温度在这里也可以被称为“设定点”。尽管在这个示例中，上述控制功能是由独立控制器设备执行的，但是也可以将它们集成到恒温器、锅炉或任何其它合适的设备中。

此外，用户可以从连接到本地网络的独立用户设备110或者从位于用户家外并连接到因特网118的用户设备116与系统交互。用户设备110和116可以采取智能手机、平板电脑、个人电脑等的形式。用户设备可以包括用于控制供暖系统的应用程序，例如创建或编辑供暖/热水计划表，在手动/计划操作之间切换、调节温度、激活升压模式等。然后，该应用程序可以根据需要将信息发送到无线恒温器102、发送到锅炉控制模块104或集线器110(例如，更新计划表)。

控制界面也可以通过远程服务器120来提供。这可以是由用户设备110、116可访问的web界面，以执行上面讨论的操作，例如，设定计划表。然后服务器将控制信息(例如，修改的计划表)发送到供暖系统100(例如，到锅炉控制模块104)。

尽管上述示例描述了联网的控制系统(包括联网的恒温器和锅炉控制模块)，但是所描述的控制方法同样适用于其他类型的供暖系统(包括不含网络特征的那些供暖系统)。

在图2中进一步示出了锅炉控制模块的运行。锅炉控制模块104从恒温器102接收温度测量数据202并且可选地预处理该测量以提供指示恒温器所位于的环境中的当前周围环境温度的温度信号。

另外，接收器/控制器从恒温器或从某个其他设备(例如，经由系统集线器108从内部或外部网络)接收控制信息204。控制信息可以提供定义一天中的针对一个或多个时段的目标温度的控制计划表。控制计划表的一个示例如下表格1所示：

表格1

在计划的运行模式中，接收器/控制器基于计划表通过将环境加热到在该时间段期间被设置为“开启”时间段的目标温度来控制锅炉106。在“关闭”期间，不进行供暖(除了以下情况，为了防止在温度低于霜冻保护阈值(例如5℃)时损坏管道和设备，在关闭期间仍然可以执行供暖)。

在手动模式下，可以直接设定目标温度(不连接到特定的时间段)，并且系统将环境加热到该温度，直到手动停止供暖、改变目标温度、或激活计划模式。

在任一种情况下，当处于激活状态时，接收器/控制器通过根据需要开启或关闭锅炉来控制锅炉的运行，以实现(大致)所期望的目标温度。

锅炉的控制是通过供暖呼唤(cfh)信号206。在典型的实施方式中，cfh信号具有两种状态：当处于开启或high状态时，锅炉开启以加热供应给建筑物中的散热器的水。当处于关闭或low状态时，锅炉关闭且没有热水供应。在这样的系统中，通过根据需要将cfh信号在开启和关闭状态之间交替，实现期望的温度。

然而，虽然主要关于二进制cfh信号进行描述，但所公开的方法可以适用于其他形式的控制信号。

锅炉控制模块使用的控制处理基于时间比例积分(tpi)控制策略。tpi控制提供了一种在性能方面降低温度过冲的方法，该性能在锅炉开启时具有较高的温度升高率(称为“升温速率”)。当房间温度接近目标水平时，它可以与具有开/关控制输入的锅炉一起使用，以降低其平均输出(并且因此降低平均出口温度)。这是通过对供给锅炉的cfh信号应用一种形式的脉宽调制(pwm)来完成的，在固定的调制周期内改变开启间隔-调制周期通常在10至15分钟左右。当温度在目标的预定义阈值之内(持续低于该阈值信号为开启)时，pwm模式变为激活，开启比率随着温度误差的降低而降低。tpi控制的积分元素补偿物体的热损失，确保当温度误差为零时，pwm比率大于零，以防止达到的温度中的稳态误差。

图3中概述了控制处理。

在步骤302中，基于所配置的目标温度来激活供暖。这可能是由于程序化的计划表或由于供暖已经被手动激活。在这个例子中，假设所要求的目标温度在这个时间点实际上高于实际测量的温度，所以需要供暖。

在供暖系统激活后，两个处理连续且并行进行。首先，计算升温速率(步骤304)，其对应于所测量的环境中的温度变化速率。然后在步骤306中基于升温速率设置pwm阈值。以预定的速率周期性地重复步骤304和306。

在第二个并行处理中，根据所测量的温度和所配置的pwm阈值来控制供暖。

具体地，在步骤308中，基于在恒温器处测量的环境温度与目标温度之间的差来确定温度误差，如下面更详细地描述的。

在步骤310中，确定误差是否超过(在并行处理304至306中设置的)pwm阈值。如果是这样的话，这意味着所测量的温度离期望的目标温度还有相当长的一段距离。因此，在下一个时间间隔期间，在不应用pwm的情况下连续的“开启”cfh信号被输出到锅炉(步骤312)。

另一方面，如果误差低于pwm阈值，则所测量的温度(相对)接近(靠近)目标温度。在这种情况下，将pwm应用于cfh信号以防止或减少过冲。为此，在步骤314中，系统基于温度误差在pwm表中查找pwm模型。在步骤316中，在下一时间间隔的持续时间内，作为经pwm表中指定的脉冲宽度调制的cfh信号被输出到锅炉。步骤308、310、312、314和316以预定的误差采样率周期性地重复。

图4示出了一个供暖循环的示例。上图描绘了相对于时间绘制的所测量的温度曲线402以及目标温度404。下图示出了cfh信号206。

最初，从时刻t0到t1，供暖关闭，且因此cfh信号处于关闭状态。在时间t1，供暖被激活，例如，手动或基于计划表。温度误差被确定。在这个示例中，这个点的温度误差超过了pwm阈值，并且因此在这个阶段没有应用pwm。相反，控制器以连续模式运行，以向锅炉输出连续的“开启”cfh信号。

在时间段t1至t2期间，环境中的温度由于供暖系统的热输出而升高。在此示例中，在时间t2处，温度误差降至pwm阈值以下。在时间段t2至t4期间，随着所测量的温度402接近目标温度404，cfh信号因此被脉冲宽度调制，这减少了锅炉实际开启的时间量并因此降低了热输出。以这种方式降低接近目标温度的平均热输出防止(或至少减少)了过冲目标温度。

用于生成经脉冲宽度调制的cfh信号的脉宽模型是根据温度误差从pwm表中获得的。在第一pwm阶段(t2至t3)期间，第一pwm模型pwma被应用到cfh信号，使得cfh信号大部分为“开启”(高开关比)，而在第二pwm阶段(t3到t4)，将第二pwm模型应用到cfh信号，使得cfh信号大部分是“关闭”(低开关比)。

应该注意的是，图4是用于说明目的的简化示例，并且实际应用的pwm模型可能不同并且可能更复杂。

如关于图3所讨论的那样，在所描绘的处理期间，基于测量的升温速率来不断地重新计算pwm阈值，并且当确定温度误差是否在pwm阈值内时，使用最新计算的pwm阈值。

以下部分更详细地描述了控制算法的不同元素。

温度测量

锅炉控制模块从恒温器接收常规温度测量值。

在图5中示出了温度测量值。如所示的，通过负温度系数热敏电阻502在恒温器处测量周围环境温度，其输出由模数转换器504转换成数字值。可替代地使用其它类型的温度传感器，诸如ptc(正温度系数)传感器或集成温度传感器ic。

恒温器的处理器(或其他控制器)500将adc读数转换成按0.01℃增量缩放的温度值(506)，但是取决于特定的精度要求可以使用任何合适的温度分辨率。得到的值通过无线网络连接被发送到锅炉控制模块(508)。另外，处理器可以处理温度值，用于恒温器处的本地显示(例如，通过四舍五入，510)。输出到锅炉控制模块的温度数据可能会以固定或可配置的采样速率进行。

在这个示例中，在锅炉控制模块处接收到的温度测量值因此被说明为表示最小温度增量(在该示例中为0.01℃)的倍数的整数值。这允许更有效的存储和计算(例如，与浮点表示相比)。然而，可以使用其他表示，包括浮点。

温度测量数据在锅炉控制模块处被接收、存储和处理。锅炉控制模块的处理可能以恒温器采样/输出速率或不同的采样速率发生。控制模块可以保留温度样本的历史，用于计算以及用于报告和其他目的。

升温速率

锅炉控制模块定期计算锅炉开启时的供暖“升温速率”(恒温器附近温度升高的速率)。

该计算是基于一系列温度样本进行的，并且可以通过各种方式，包括在计算区间内对一系列温度样本进行微分滤波和最小二乘拟合或其他曲线拟合算法。计算值的附加低通滤波可以被执行，因为差分本质上是噪声放大。

在一个优选实施方式中，仅在锅炉已经连续开启达规定的时间间隔(在示例实施方式中为30分钟)之后以及在该时间间隔的较短的最后部分(在示例实施方式中的最后14分钟)计算升温速率，并且在锅炉保持开启的情况下定期更新(在示例实施中是每2分钟)。最初的(30分钟)时间间隔是为了确保在锅炉开启的瞬态效应已经衰减且系统达到正常的工作流体温度前不会开始供暖速率的计算。

因此，在一个优选的实施方式中，锅炉控制模块存储过去的温度测量值的历史，从其通过线拟合(使用预定数量的最近的温度样本)来估算升温速率。

设置pwm阈值

升温速率用于调整pwm控制开始时的阈值。pwm阈值优选地与升温速率成比例，使得更大的升温速率对应于更大的阈值。

在一个优选实施例中，在预定义的升温速率以下，pwm阈值减小到零，因此不执行pwm(不管温度误差)，并且控制算法回到简单的开/关控制。这可以确保动态性能不会在具有低升温速率的属性中受到影响。或者，可以设置一不同的最小pwm阈值。此外，在最大升温速率之上，可以应用预定义的最大pwm阈值。

误差测量值

基于目标温度和所测量的温度之间的差，以预定误差采样间隔(其可以与温度采样间隔相同或不同)计算误差：

δ(t)＝目标-temp(t)

然后根据使用基于tpi原理的算法的温度增量，计算误差测量e(t)。基本的tpi公式通常具有这种形式

其中k1和k2分别是比例项和积分项的权重(注意，原则上也可以加上一个微分项，但在本实施例中不使用)。

在优选的方法中，k1＝1，且根据目标温度选择k2。具体而言，积分贡献按与目标温度成比例的值进行缩放。这减少了目标变化时积分分量的变化。此外，积分器仅在系统已经在目标的pwm阈值内达到限定的时间段(示例性实施方式中的一小时)且目标保持恒定时才被更新。这确保了系统处于准稳态，并且积分器正在适应对抗稳态热损失而不是升高温度以达到目标的瞬态效应。根据其内应用了pwm的阈值，积分贡献是有限的，这意味着存在自适应积分器的上限。

在具体的示例中，积分贡献由固定的积分增益因子ki和目标温度与选定的参考温度之间的比率来缩放，如下所示：

这里，int(t)表示如下计算的积分项。

通过目标-参考比率的缩放随着属性内部和外部之间的温度差的改变而改变积分项的贡献。固定参考值是根据经验假定外部温度通常不可用于系统而选择的。固定参考提供标称目标温度，以便根据实际目标值与标称目标值缩放调整。

在外部温度已知的情况下，实际温度增量可用于计算。具体来说，在不使用标称参考的情况下，积分贡献随后可以基于目标温度和外部温度之间的差而被缩放。如上所述使用标称参考基本上等同于假设外部温度为零(这可能导致低估在目标温度升高时积分贡献应当增加的量，但是与高估相比，在减少过冲方面可能是优选的)。

可以进一步选择值ki和ref以允许通过选择这些值来进行有效的计算，使得因子可以被实施为移位运算。

int(t)积分项是通过将当前温度误差与先前误差的总和相加来计算的，但以下情况除外：

●如果自上次测量间隔以来目标温度已经降低，那么积分器不会增加，直到测量温度降到新的目标温度以下

●如果自上一个测量点以来目标温度已经升高，则直到测量温度达到目标温度的阈值距离内之后的预定时间段(这里是一小时)才执行积分器更新；其中阈值距离优选地与pwm阈值相同。

在以上情况下，积分器不会更新。否则，目标和测量温度之间的差被加到累加器：

int：＝int+(目标-实际)

积分器值被进一步限制在预定范围内；如果它低于零，则它被设置为零，且如果它超过了预定阈值，则将其设置为该阈值(这里阈值被设置为pwm_threshold/ki)。

可以使用替代策略来决定将哪些测量值添加到积分器以及如何限制积分器的允许值。这些标准可以基于经验性能特征和特定应用环境的要求来选择。

pwm查找

对于升温速率高于最小定义的升温速率，在任何给定的温度误差下应用的pwm比率被保存在表中，其在pwm周期中被分成片段(在示例实施方式中为2分钟的片段)。这确保了锅炉开启或关闭请求之间的时间间隔永远不会小于分段时间，因为在短间隔处的开启/关闭之间的切换会对锅炉性能造成不利影响。

此外，该算法优选地允许指定最小锅炉关闭时间(在示例实施方式中，这是6分钟)。因此，在达到目标且cfh信号从pwm信号变为连续“关闭”之后，其仍将保持关闭状态达至少最小关闭时间，即使在最小关闭时间结束之前测量温度低于阈值。

在图6a中示出了pwm表格的一个示例。表中的每一行表示一个特定的pwm模型，将pwm周期分成八个片段，每个片段可能是一个“关闭”或“假”片段(空单元)或一个“开启”或“真”片段(阴影单元)。假设两分钟的片段持续时间，则因此每个模型代表16分钟的pwm周期。

每行或模型与应用pwm范围内的可能误差值范围的特定带(0＜e(t)≤pwm_threshold)相关联。每个pwm时间片段的持续时间优选对应于温度和/或误差采样间隔。

图6b中示出了与表格的pwm模型对应的示例pwm波形。

或者，pwm模型可以例如基于指示要在pwm周期中应用的关闭-开启比的比率动态地生成。比率本身可以是预定义的，或者本身可以(例如，从误差测量)计算。

应用pwm

如上所述，只要温度误差降至pwm阈值以下，就使用pwm表中定义的pwm比率来调制cfh信号。

在图7中更详细地说明应用pwm的处理，并且针对每个误差更新间隔重复该处理。

在步骤700中，循环索引变量被设置为零。循环索引变量用于循环通过pwm表中各行的条目。

在步骤702中，基于上述的tpi计算获得温度误差。在步骤704中，系统确定误差是否小于或等于零(或其它合适的阈值)，指示目标温度已经达到(或者至少测得的温度足够接近目标温度)，其中不执行供暖(供暖信号的调用被设置为关闭或假，步骤706)。

否则，系统确定误差是否超出pwm阈值。这意味着温度仍然离目标温度相对较远，并因此cfh信号被设置为“开启”或者为真，以提供连续供暖(步骤710)。

如果误差未超过pwm阈值，则根据pwm表修改cfh信号。在那种情况下，系统在步骤712中确定误差带。优选地，零和pwm误差阈值之间的可能误差值的范围基本上等分成带。例如，该带可以被计算为以下项的四舍五入或截断值(truncatedvalue)：

(其中pwmrows是pwm表中的行数或模型数。)

然后在步骤714中，cfh信号被设置为pwm表中针对所识别的带和当前周期索引(“真”/开启或“假”/关闭)的指示的值。然后，在步骤716中，循环索引被递增、归零。

在步骤718中，将cfh信号输出到锅炉以激活锅炉(cfh＝真)或停用锅炉(cfh＝假)。

如图在6a中所示，pwm表格中的pwm模式从关闭周期开始，以确保一旦达到pwm阈值，升温速率就会降低。

在测量的温度超过目标后，pwm表的索引反转。当温度保持在目标以上时，不执行供暖，但是一旦温度再次下降到目标以下，就按照图7中的处理将pwm应用到cfh生成。但是，因为现在相关的pwm行按逆向顺序被访问，因此首先遇到开启周期。这在温度下降到目标以下时减少了下冲。

延迟补偿

在一些实施方式中，温度读数可以被预处理以补偿整个供暖系统内的滞后。然后在tpi算法中使用延迟补偿后的温度值代替来自温度传感器的原始读数。这会生成一个温度信号，其超前测量值从而降低温度过冲。延迟补偿量是可调的，以适应不同的供暖系统和温度传感器延迟特性。

延迟补偿可以被实现为根据作为算法参数输入的系统延迟的估计(基于系统延迟可以被合理地近似为一阶滞后的基本假设)而配置的超前补偿器。

在一个示例中，补偿的温度值被计算为：

其中：

comp(t)是在时间t时的计算的补偿温度值

temp(t)是在时间t时的实际测量的温度值

τ是延迟时间常数

t是更新(采样)间隔

如上所述计算的补偿值可以另外被过滤(在一个实例中，在高频处在后面加一些滞后以稳定系统)，以生成最终的经过滤波的延迟补偿的温度值，然后将其作为温度输入提供给其他系统部件和处理，包括前面描述的tpi控制算法和升温速率计算。

最佳开始

该算法包括“最佳开始”功能，在该功能中，系统计算将温度从当前值升高到预定目标值所需的时间，并使用该时间比计划目标变化的时间更早地开启锅炉，以确保在预定的时间，室温处于或接近目标。例如，如果目标在16:00变为22℃，房屋中的温度为20℃，并且速率估计为1°c/小时，则恒温器将早2小时在14：00使用22℃目标，以便在16:00之前达到目标。

最佳开始功能使用如前所述计算的升温速率。由于不断重新计算升温速率，所以最佳开始计算考虑了系统的近期测量的供暖性能，使其能够适应外部温度变化的影响(例如)以实现所需的温度计划表。

在优选实施方式中，如果启用，则最佳开始算法基于当前测量的温度和动态确定的升温速率来计算为到达在计划表中指定的下一个目标温度将花费的时间。如果该时间大于下一预定时间段开始的时间，并且下一预定时间段的开始在预定的最大时间内，那么当前可应用的目标温度被下一预定时间段的目标温度替代。最大时间确保提早激活供暖仅发生在最大时间之前的预定时间段的提前量中发生(例如，以从为当前时间段设定的目标避免过度分歧)。如果达到下一个目标温度所需的时间少于直到下一个预定时间段开始的剩余时间，则还没有必要开启供暖，因此尚未执行提早激活。

可以优选地使用系统属性来开启或关闭最佳开始，以在预定义的范围内并且以指定的时间分辨率(在一个示例中提供了1分钟的分辨率和0到180分钟的范围)来设置允许的最大提前量。还可以设置提前量因子百分比(默认为100％)，其用于缩放实现下一个目标温度的计算时间值，以提供额外的时间以达到目标。

硬件架构

图8示出了锅炉控制模块104的硬件架构。

控制模块包括处理器800以及用于存储临时数据和正在执行的软件代码的易失性/随机存取存储器802。永久性存储装器804(例如以闪存的形式)持久地存储控制程序806，该控制程序被设置为从恒温器接收温度数据并执行上述的tpi和其他算法。持久性存储器804可以进一步存储控制信息808，控制信息包括由用户编程的控制计划表、过去的温度数据、配置参数等。

持久性存储可能包括其他软件和数据，如运行系统和设备驱动器软件。

与恒温器和其他联网部件的通信经由无线网络接口810和无线收发器812进行。由控制程序802生成的cfh信号经由锅炉接口814输出到锅炉。

设备部件通过数据总线相互连接(实际上，这可能由几条不同的总线组成，例如存储器总线和i/o总线)。

虽然示出了特定的架构，但是可以采用任何适当的硬件/软件架构。例如，外部通信可以通过有线网络连接，或者cfh信号可以无线输出。

应该理解的是，以上仅以示例的方式描述了本发明，并且在本发明的范围内可以对细节进行修改。

例如，虽然关于供暖系统进行描述，但是所描述的控制处理可以应用于其他温度控制系统。例如，所描述的处理可以应用于诸如空调或冰箱的制冷系统，或应用于使用二进制的控制输入来控制系统的激活/停止的其他系统。在制冷系统示例中，所描述的方法可以通过在测量温度从较高测量温度下降到较低目标温度时将pwm应用于输出信号来使用。因此，温度曲线和适用的阈值将被颠倒，但控制方案的基本原则是相同的。