一种流量控制系统泵运行区间判断方法技术方案

本发明专利技术提供一种流量控制系统泵运行区间判断方法。首先，基于小信号扰动原理，在流量控制系统任意相对稳态时刻对泵运行频率施加小信号扰动ΔF，得到对应的流量变化值Δq1(t)与相对稳态压力值P的关系式，基于牛顿迭代原理通过采样周期实测流量波动值Δq(m)与估计流量波动值Δqg(m)的误差及误差导数进行迭代计算，获得流量控制系统任意相对稳态时刻的压力值P；其次，依据计算出的压力P、测量到的流量Q和频率为F泵的Q‑H扬程特性曲线，得到泵在Q‑H特性曲线的工作点；最后，依据泵的Q‑H扬程特性与相似工况抛物围成高效运行区域，对泵的运行区间准确、可靠判断。在本发明专利技术无需压力检测传感器及辅助电路即可实现泵运行区间的判断，省去了压力传感器及辅助处理电路的安装调试所需时间和成本，使得系统结构更加简单，系统成本更低。

A method for judging pump running interval in flow control system

The invention provides a method for judging the running interval of a flow control system pump. First, based on the principle of small signal disturbance, a small signal disturbance Delta F is applied to the pump running frequency at any relative steady state time of the flow control system, and the corresponding relation between the corresponding flow change value delta Q1 (T) and the relative steady pressure value P is obtained. Based on the Newton iterative principle, the flow fluctuation value delta Q (m) is measured by the sampling period and the flow fluctuation value is estimated. The error and the error derivative of the delta QG (m) are iteratively calculated, and the pressure value P of the flow control system at any relative steady state time is obtained. Secondly, the working point of the pump in the Q H characteristic curve is obtained based on the calculated pressure P, the measured flow Q and the frequency of the Q H head characteristic curve of the F pump. Finally, the Q H lift characteristic of the pump is based on the pump. It is surrounded by parabolic materials with similar operating conditions to form an efficient operation area. This invention can realize the judgment of the pump running interval without pressure detection sensor and auxiliary circuit, and save the time and cost of the installation and debugging of the pressure sensor and auxiliary processing circuit, making the system structure simpler and the system cost lower.

【技术实现步骤摘要】
一种流量控制系统泵运行区间判断方法
本专利技术属于过程控制领域，具体涉及一种流量控制系统泵运行区间判断方法，用于准确、快速判别泵是否处于高效区间运行。
技术介绍
流量调节控制在化工、食品、医药、供水等领域具有广泛的应用。早期流量调节主要通过调节控制阀门的开度开对输出流量进行调节，但存在能耗高、调节范围不大等不足。当前主要采用变频调速的方案实现输出流量的调节，其原理主要通过检测输出流量与设定流量之间的偏差，并对该偏差进行反馈补偿控制算法，进而调节变频器的输出频率，改变泵的转速，实现输出流量的稳定控制。然而，由张承慧等在控制理论与应用期刊中发表的《变频调速给水泵站效率最优控制策略》一文可知，泵存在一个由扬程特性曲线、相似工况抛物线组成的高效运行区间。泵运行于此区间，能实现高效运行；否则，泵运行效率和寿命将大大降低。一方面，在化工，食品，医药、供水等领域，由于输送的液体长时间在管道中运行，可能会存在污垢沉积，致使整个管路有效截面积变小，管阻特性变差，在设定流量情况下，泵出口和管网压力急剧增大，致使泵运行状态发生变化，偏离高效区间；另一方面，泵长时间处于非高效区间运行会导致变频流量控制系统的效率降低，甚至导致变频器及泵的过载/低频运行，增加了变频流量控制系统的故障风险。为了确保泵的高效运行和防范变频器故障风险，就必须获取泵的转速、流量和扬程(或压力)等状态数据，确定其是否处于高效区间运行。由于采用变频控制，所以通过获取泵的运行频率即可得到泵的转速。因而，只需要获取流量控制系统泵的运行频率、输出流量和扬程(或压力)即可确定泵的运行状态。现有方案是在泵出口处或者管网关键节点处增加压力传感器，用于实时检测管网中的压力，进而得到泵的Q-H扬程特性曲线工作点，从而判别泵是否运行于高效区间。但该方案由于需要增加压力检测传感器，一方面增加了管网的复杂性和硬件成本，另一方面变频流量控制系统需要在软硬件方面增加相应的功能模块，比如信号调理电路、采样电路、软件处理程序等。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述不足之处，提出一种结构简单、适用性好的流量控制系统泵运行区间判断方法。本专利技术提供一种流量控制系统泵运行区间判断方法，其步骤如下：1)建立流量控制系统在稳态时的压力值P与t∈[0,Td]的流量变化量Δq1(t)的关系式：其中；P为管网压力值，F为变频器输出频率，Q为进出液体流量，T为环境温度，Tb为压力罐额定温度，Vb为气压罐气室额定体积，Pb为气压罐气室额定压力，t为时间变量，Td为预先定义的观测时间长度，ΔF为频率扰动增量；2)以采样周期Ts为间隔对流量控制系统的流量值和变频器的输出频率进行采样，并获取流量值q(k)和输出频率f(k)，其中k为采样次数；3)并根据采样到的流量值q(k)和输出频率f(k)，建立由N个元素构成的流量值数组{q(i)}，以及变频器输出频率数组{f(i)}，其中i＝{k-N+1,k-N+2,...k}，N为预先设定的大于1的正整数，q(i)|i＜＝0＝0，f(i)|i＜＝0＝0；4)判断流量控制系统是否处于稳定状态，并在确定其处于稳定状态时，获取变频器输出频率数组{f(i)}的平均值并将该时刻标记为t＝0时刻，给输出频率一个固定的频率扰动增量ΔF，f(mTs)＝F+ΔF；5)判断m＞M是否成立，若不成立，则在t＝mTs时刻，采样流量值q(m)，并获得到Δq(m)＝q(m)-Q；若成立则更新k＝k+1；进行下一次采样；6)对步骤5)中获得的Δq(m)，进行判断，其中α为设定正值，在其成立时，则将压力估计值Pg[m]及Q、F、ΔF、Pb、Vb、T和t＝mTs代入步骤1)中建立的关系式，并获取流量变化值Δqg(m)；7)针对步骤6)中获取的流量变化值Δqg(m)，获得e(m)＝Δq(m)-Δqg(m)和其中：e(m)，e'(m)分别表示第m个采样周期实测流量波动值Δq(m)与估计流量波动值Δqg(m)的误差及误差导数；8)判断是否同时满足|e(m)|＜ε1和|e'(m)|＜ε2，其中：ε1,ε2分别为设定很小的正数；若满足，则认定压力估计值Pg[m]就是流量控制系统实际压力值，即P＝Pg[m]为系统压力值，若不满足则更新变量和估计值，m＝m+1；Pg[m]＝Pg[m-1]-e'[m-1]e[m-1]，并重新进行m＞M判断；9)依据泵的运行数据(Q，P)和泵的Q-H扬程特性具有平移特性，得出频率为F的泵的Q-H扬程特性曲线HF；10)判断HF上的运行点r(Q，P)是否处于高效区域ABCD内，若处于高效区域ABCD内，则计算曲线HF与相似工况抛物线li1、li2的交点a，b，及其对应的流量Qmin、Qmax，若不处于高效区域ABCD内，则更新k＝k+1；进行下一次采样，并标记输出流量值和变频器输出频率的采样值为q(k)和f(k)，并重复以上步骤；11)在获得流量Qmin、Qmax后，判断min{Q-Qmin,Qmax-Q}≥λ(Qmax-Qmin)是否成立，若成立，则确定流量控制系统泵处于高效运行状态，若不成立，则更新k＝k+1；进行下一次采样，并标记输出流量值和变频器输出频率的采样值为q(k)和f(k)，并重复以上步骤。步骤1)中包括以下步骤：①建立流量控制系统水泵输出功率方程：其中：ρ×q1(t)×p(t)为泵的轴功率，η为泵的效率，即电机有效功率与轴输出功率之比，s为转差率，R1,R2,X1σ,X2σ,m1,为泵电机的固有参数，为电机的输出功率；②对步骤①的方程进行小信号扰动，得到关系式简化为QΔp(t)+PΔq1(t)+Δq1(t)Δp(t)＝k'(2FΔF+ΔF2)，其中：q1(t)＝Q+Δq1(t)，f(t)＝F+ΔF，p(t)＝P+Δp(t)，k'＝ηkρ，③在t∈[0,Td]获得系统的小信号模型方程：④获取在t∈[0,Td]，气压罐液室的体积变化量；并由此获取t∈[0,Td]时液室体积气室体积并根据理想气体方程得到气压罐的气室压力变化量并由此获取管网压力变化量确定pa(0)＝P，则获得⑤根据步骤③和步骤④获得并最终得到步骤4)中获取流量值数组{q(i)}的平均值并求解判断是否满足：σq≤εq，其中：εq为设定正值，若其满足，则认为流量控制系统处于稳定状态。所述高效区域ABCD为额定频率fN的扬程特性曲线HN、最低频率fmin的扬程特性曲线Hmin、相似工况抛物线li1、相似工况抛物线li2围成的扇环形区域。本专利技术具有如下有益效果：一、本专利技术无需压力检测传感器及辅助电路即可实现压力在线检测，进而实时获取泵的运行频率F、流量Q和压力P等状态信息，确定泵的Q-H扬程特性曲线工作点，省去了压力传感器及辅助处理电路的安装调试所需时间和成本，使得系统结构更加简单，系统成本更低；二、本专利技术在实时获取的泵Q-H扬程特性曲线工作点和泵Q-H扬程特性与相似工况抛物围成高效运行区域基础上，对泵的运行区间准确、可靠判断，为泵的高效控制提供依据；三、本专利技术所述的流量控制系统泵运行区间判断方法具有方法简单，可靠性高，实用性强等特点，为流量系统中泵的安全、高效运行提供可靠保证。附图说明图1为流量控制系统的结构简图；图2为流量控制系统扬程-管阻特性图。图3为调速泵高效运行区示意图。图4为泵运行区间示意图具体实施方式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种流量控制系统泵运行区间判断方法，其特征在于：其步骤如下：1)建立流量控制系统在稳态时的压力值P与t∈[0,Td]的流量变化量Δq1(t)的关系式：

【技术特征摘要】
1.一种流量控制系统泵运行区间判断方法，其特征在于：其步骤如下：1)建立流量控制系统在稳态时的压力值P与t∈[0,Td]的流量变化量Δq1(t)的关系式：其中；P为管网压力值，F为变频器输出频率，Q为进出液体流量，T为环境温度，Tb为压力罐额定温度，Vb为气压罐气室额定体积，Pb为气压罐气室额定压力，t为时间变量，Td为预先定义的观测时间长度，ΔF为频率扰动增量；2)以采样周期Ts为间隔对流量控制系统的流量值和变频器的输出频率进行采样，并获取流量值q(k)和输出频率f(k)，其中k为采样次数；3)并根据采样到的流量值q(k)和输出频率f(k)，建立由N个元素构成的流量值数组{q(i)}，以及变频器输出频率数组{f(i)}，其中i＝{k-N+1,k-N+2,...k}，N为预先设定的大于1的正整数，q(i)|i＜＝0＝0，f(i)|i＜＝0＝0；4)判断流量控制系统是否处于稳定状态，并在确定其处于稳定状态时，获取变频器输出频率数组{f(i)}的平均值并将该时刻标记为t＝0时刻，给输出频率一个固定的频率扰动增量ΔF，f(mTs)＝F+ΔF；5)判断m＞M是否成立，若不成立，则在t＝mTs时刻，采样流量值q(m)，并获得到Δq(m)＝q(m)-Q；若成立则更新k＝k+1；进行下一次采样；6)对步骤5)中获得的Δq(m)，进行判断，其中α为设定正值，在其成立时，则将压力估计值Pg[m]及Q、F、ΔF、Pb、Vb、T和t＝mTs代入步骤1)中建立的关系式，并获取流量变化值Δqg(m)；7)针对步骤6)中获取的流量变化值Δqg(m)，获得e(m)＝Δq(m)-Δqg(m)和其中：e(m)，e'(m)分别表示第m个采样周期实测流量波动值Δq(m)与估计流量波动值Δqg(m)的误差及误差导数；8)判断是否同时满足|e(m)|＜ε1和|e'(m)|＜ε2，其中：ε1,ε2分别为设定很小的正数；若满足，则认定压力估计值Pg[m]就是流量控制系统实际压力值，即P＝Pg[m]为系统压力值，若不满足则更新变量和估计值，m＝m+1；Pg[m]＝Pg[m-1]-e'[m-1]e[m-1]，并重新进行m＞M判断；9)依据泵的运行数据(Q，P)和泵的Q-H扬程特性具有平移特性，得出...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭志辉，钟蓉，李凯，
申请(专利权)人：温州大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33