一种流量控制系统及高效控制策略技术方案

本发明专利技术提供一种流量控制系统及高效控制策略。包括：首先得到对应的流量变化值Δq(t)与相对稳态压力值P的关系式，进而获取流量控制系统任意相对稳态时刻的压力值P；其次得到经过Q‑H平面上点(Q,P)每台泵的扬程特性曲线，及该扬程曲线与对应的高效区间边界的交点；最后得到高效运行性能参数，进而选择性能参数最优的泵工作，确保流量控制系统处于高效运行。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流量控制系统的高效运行控制，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、运行效率更高，提高系统的寿命和可靠性，为流量控制系统安全、高效运行提供可靠保证。

A flow control system and efficient control strategy

The invention provides a flow control system and an efficient control strategy. Firstly, the relationship between the relative steady-state pressure value P and the corresponding flow rate change value Q (t) is obtained, and then the pressure value P of the flow control system at any relative steady-state moment is obtained. Then the high-efficiency operating performance parameters are obtained, and the pump with the best performance parameters is selected to ensure the flow control system is in high-efficiency operation. The invention can realize efficient operation control of flow control system without pressure detection sensor and auxiliary circuit, save time and cost for installation and debugging of pressure sensor and auxiliary processing circuit, make the system structure simpler, the system cost lower, the operation efficiency higher, and improve the life and reliability of the system. It provides a reliable guarantee for the safe and efficient operation of the flow control system.

【技术实现步骤摘要】
一种流量控制系统及高效控制策略
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及高效控制策略，实现流量控制系统的高效运行。
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。早期流量控制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。当前主要采用调速泵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。在化工、食品、医药等过程控制领域，泵被广泛使用，使得效率哪怕仅仅提高1％，都会对节能和环保带来了巨大的利益。然而，流量控制系统运行状态并不是恒定不变的，其输出流量和扬程在时间上具有时变性，不能保证泵始终运行在高效率区间。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，可能偏离高效区间；另一方面，由于流量控制系统液质可能输送到不同的容器中，导致其扬程发生变化，致使泵运行状态发生变化，可能偏离高效区间；再一方面，流量控制系统的输出流量受制于实际系统的工作状态或者工作阶段的不同而不同，致使泵运行状态发生变化，可能偏离高效区间；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。为了确保流量控制系统的高效运行，就必须对泵进行高效优化控制。
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及高效控制策略。本专利技术提供一种流量控制系统及高效控制策略，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为气压罐额定温度，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流量值和变频器输出频率进行采样，并获取流量值q(k)和输出频率f(k)，其中k为采样次数；3)由PID控制算法求出t＝kTs时刻变频器的输出频率值f(k)＝f(k-1)+Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]；其中，e(k-1)、f(k-1)分别为t＝(k-1)Ts时刻的流量误差和变频器的输出频率；e(k-2)为t＝(k-2)Ts时刻的流量误差，Kp、Ki和Kd分别为预先设定的PID控制算法中的比例系数、积分系数和微分系数，并更新变量e(k-2)＝e(k-1)，e(k-1)＝e(k)，f(k-1)＝f(k)，，流量误差e(k)＝Qset-q(k)；其中，e(i)|i＜＝0＝0；Qset为设定输出流量值；q(k)为采样次数为k时的流量值，f(k)为采样次数为k时变频器的输出频率值；f(i)|i＜＝0＝0；4)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；5)判断流量控制系统是否处于相对稳定状态，获取流量值数组{q(i)}的平均值在确定流量控制器系统处于相对稳定状态时，则判断是否成立，其中θ为设定正值，6)若不成立，则确定当前工作的泵Mj(j＝1，2，3)最大扬程太小，不能满足输出流量要求，此时令控制开关Sj＝0，即控制Mj停止运行；同时，令控制开关Sj+1＝1，即控制扬程大一级的泵Mj+1(j+1<＝3)工作，并更新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)；重复上述步骤；7)若成立，则确定当前的泵Mj(j＝1，2，3)能满足流量控制要求，获取变频器输出频率的平均值8)并以此时刻标记为t＝0，给输出频率一个扰动量ΔF，f(mTs)＝F+ΔF；9)判断m＞M是否成立，若成立，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)；重复上述步骤；若不成立，则在t＝mTs时刻，采样流量值q(m)，得到Δq(m)＝q(m)-Q；10)并判断是否成立，α为任意设定值，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)；重复上述步骤；若成立，将压力估计值Pg[m]及进出液体流量Q、变频器输出频率F、频率扰动增量ΔF、气压罐气室额定压力Pb、气压罐气室额定体积Vb、环境温度T和时间变量t＝mTs代入步骤一中建立的关系式：求解得出Δqg(m)；11)将Δq(m)作为参考序列，Δqg(m)作为比较序列，计算误差序列Δ0(m)＝|Δq(m)-Δqg(m)|，求解Δq(m)、Δqg(m)的相关系数ξ(m)：其中Pg[m]为t＝mTs时刻的压力估计值，Δqg(m)为对应时刻流量变化量估计值；其中m＝1,2,…,M，Td为预先定义的观测时间长度；令Pg[1]＝P1g，其中P1g为任意设定的压力估计值的初始值；当m＝1时，第二级最小差Δ(min)＝0，第二级最大差Δ(max)＝1，分辨系数γ＝0.5；12)判断ξ(m)＞＝0.97是否成立，其中ξ(m)是相关系数，即实际流量变化值Δq(m)和估计流量变化值Δqg(m)的接近程度；若ξ(m)＞＝0.97不成立，则更新变量：m＝m+1；并重新进行m＞M判定；若ξ(m)＞＝0.97成立，则确定估计值Pg[m]为流量控制系统的实际压力值P＝Pg[m]；13)依据点r(Q，P)和调速泵其扬程特性具有平移的特点，得出经过点r(Q，P)的泵Mj的Q-H扬程特性曲线j＝1，2，3；14)获取扬程特性曲线对应的频率Fj；15)获取扬程特性曲线与相似抛物线的交点aj和bj，j＝1，2，3；16)获取满足条件的泵Mj的高效运行性能参数ψj，其中ψj为参数aj、bj和r(Q，P)与对应高效区间AjBjCjDj的函数；17)获取ψi＝max{ψ1,ψ2,ψ3}对应的i，i＝1、2、3，流量控制系统的控制器将对应的开关Si(t)＝1，Su＝0，u＝1,2,3∩u≠i，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：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；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+ΔF本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种流量控制系统及高效控制策略，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及高效控制策略，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为气压罐额定温度，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流量值和变频器输出频率进行采样，并获取流量值q(k)和输出频率f(k)，其中k为采样次数；3)由PID控制算法求出t＝kTs时刻变频器的输出频率值f(k)＝f(k-1)+Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]；其中，e(k-1)、f(k-1)分别为t＝(k-1)Ts时刻的流量误差和变频器的输出频率；e(k-2)为t＝(k-2)Ts时刻的流量误差，Kp、Ki和Kd分别为预先设定的PID控制算法中的比例系数、积分系数和微分系数，并更新变量e(k-2)＝e(k-1)，e(k-1)＝e(k)，f(k-1)＝f(k)，流量误差e(k)＝Qset-q(k)；其中，e(i)|i＜＝0＝0；Qset为设定输出流量值；q(k)为采样次数为k时的流量值，f(k)为采样次数为k时变频器的输出频率值；f(i)|i＜＝0＝0；4)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；5)判断流量控制系统是否处于相对稳定状态，获取流量值数组{q(i)}的平均值在确定流量控制器系统处于相对稳定状态时，则判断是否成立，其中θ为设定正值，6)若不成立，则确定当前工作的泵Mj(j＝1，2，3)最大扬程太小，不能满足输出流量要求，此时令控制开关Sj＝0，即控制Mj停止运行；同时，令控制开关Sj+1＝1，即控制扬程大一级的泵Mj+1(j+1<＝3)工作，并更新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)；重复上述步骤；7)若成立，则确定当前的泵Mj(j＝1，2，3)能满足流量控制要求，获取变频器输出频率的平均值8)并以此时刻标记为t＝0，给输出频率一个扰动量ΔF，f(mTs)＝F+ΔF；9)判断m＞M是否成立，若成立，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)；重复上述步骤；若不成立，则在t＝mTs时刻，采样流量值q(m)，得到Δq(m)＝q(m)-Q；10)并判断是否成立，α为任意设定值，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)；重复上述步骤；若成立，将压力估计值Pg[m]及进出液体流量Q、变频器输出频率F、频率扰动增量ΔF、气压罐气室额定压力Pb、气压罐气室额定体积Vb、环境温度T和时间变量t＝mTs代入步骤一中建立的关系式：求解得出Δqg(m)；11)将Δq(m)作为参考序列，Δqg(m)作为比较序列，计算误差序列Δ0(m)＝|Δq(m)-Δqg(m)|，求解Δq(m)、Δqg(m)的相关系数ξ(m)：其中Pg[m]...

【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：温州大学激光与光电智能制造研究院，
类型：发明
国别省市：浙江,33