一种基于牛顿法的小流量在线检测方法技术

本发明专利技术提供了一种基于牛顿法的小流量在线检测方法，包括：建立流量、频率扰动量和水压变化量之间的数学模型及约束条件，形成适于小流量在线检测需要的数学模型；在稳态工况下进行频率小信号扰动，设定流量估计值的初始值，根据流量数学模型计算系统流量值。本发明专利技术的优点在于无需流量检测装置及水泵电机结构参数，在线检测系统是否处于小流量工况运行。本方法检测速度快，可靠性高，实用性强，可有效保护电机和变频器小流量工况下低频运行引起的效率低下故障，提高系统的寿命和可靠性，为水泵电机安全、高效运行提供可靠保证。

【技术实现步骤摘要】
一种基于牛顿法的小流量在线检测方法
本专利技术属于机电一体化测控领域，具体涉及一种基于牛顿法的小流量在线检测方法，尤其适用于气压罐变频恒压供水装置水泵小流量运行检测和保护。
技术介绍
恒压变频供水系统中扬程特性及管阻特性对供水系统的性能具有重要的影响，当用水阀门未完全关闭或者由于管道阀门泄漏导致供水系统运行于小流量时，此时供水系统的管阻及扬程损失增大，导致系统能耗增加，效率低下。其中，“小流量”是指当水龙头开度很小或者水龙头未完全关闭及管道滴漏导致其用水量很小或接近于零，这种情况称为变频供水系统小流量情况。此时，水泵在小流量下运行，会造成水泵效率大大降低，不能达到节能的目的，水泵功率越大用电越多。同时，小流量运行致使水泵电机及变频器处于低频运行状态，导致电机及变频器低频噪声严重，降低电机及变频器的使用寿命及性能，对供水的安全可靠性和生产成本产生不利影响。水泵恒压供水系统的小流量检测是水泵变频恒压供水系统实现节能高效、安全可靠供水需要重点解决的关键技术问题之一。目前，有关水泵小流量检测主要有两种方式：一、流量传感器方案：即通过在水泵的出水口处安装流量传感器，实现小流量检测；通常使用的流量传感器检测机构主要为叶轮式和浮子式结构。⑴叶轮式检测存在以下三种情况会导致流量检测精度及可靠性性能指标不高：①供水流速较大情况下，水质中存在的固体杂物会撞击叶轮，使得叶轮变形及缺损，引起整个机构转动惯量不平衡，导致流量检测失效或精度及数据可靠性大大降低；②水质受到污染呈现酸性或者碱性时，会严重腐蚀叶轮机构，同样导致整个机构转动惯量不平衡，流量检测失效或精度及数据可靠性大大降低；③叶轮式流量检测通过流动的液体传动叶轮片转动，从而带动相关电磁机构动作，将叶轮片的转动信号转化为不同频率的电信号。在管道截面积恒定的情况下，通过采样电信号的频率就可以测量液体的流量。由于要考虑到机构强度及加工精度和加工成本等约束情况，叶轮等转动部件的惯量不可能很小，因而存在一个小流量测量死区范围，所以不能检测诸如滴水、漏水等小流量状态。同时由于检测机构有一定的惯量和信号在进行变换调理及程序处理过程中，存在一个时间延迟，因而数学模型可以理解为带滞后环节的一阶惯性系统，所以流量检测响应速度慢。⑵浮子式检测流量时，由于其机械结构主要由外壁和内壁构成的腔体及浮球联动装置来检测是否有流量。浮球在腔体内的行程大小是影响该类型流量检测精度和可靠性的一个关键因素。行程过大会导致机构的体积庞大，材料成本高，安装复杂，测量惯性和时间延迟大，灵敏度低，导致检测失效；行程过小则会导致机构的加工精度及加工成本高，磁缸精度要求高及整体装配精度高，抗干扰能力差等缺陷。二、专用控制器+专用水泵电机方案：即通过对专用的水泵电机进行扬程特性曲线的反复测试，得出水泵工作于小流量情况下的特性曲线，并以该曲线作为系统检测流量的参考值，通过检测水泵电机当前运行特性是否处于小流量特性区间来检测系统小流量。专用控制器+专用水泵电机方案由于要进行扬程特性曲线及水压响应特性曲线的反复测试，得出水泵工作于各种小流量情况下的特征量为系统检测流量的基准参考值。然后通过大量的数据在线采集及程序处理，得出系统当前运行状态下的实际特征量，通过与基准参考特征量进行相似度分析，从而得出系统当前的流量值，进而判断系统是否运行于小流量工况。但这种方法存在严重的问题就是：⑴对控制系统的硬件和软件的要求高。因为控制器要采集大量的数据并进行信号处理和求解系统的特征量，并与存储在内存中的基准特征量进行相似度分析，因而对控制器要求高；⑵由于要进行大量的数据采集、处理和求解系统的特征量，并与基准参考特征量进行相似度分析，其程序量大，处理时间长，检测速度慢；⑶由于系统在长期运行过程中，电机参数、变频器参数等受到环境因素影响及老化原因发生变化，引起系统的运行特征量变化较大，导致测量的精度和可靠性差，控制系统出现误判动作；⑷由于供水系统是长时间连续运行，因而水泵一旦出现故障，只能采用与控制器严格匹配的电机，而不能使用其他类型的水泵电机，因而导致系统的运行维护成本高，实用性及适用性差。
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、适用性好的基于牛顿法的小流量在线检测方法。一种基于牛顿法的小流量在线检测方法，包括如下步骤：（1）以采样周期Ts为间隔对供水系统管网的水压值和变频器输出频率进行采样，将第一次采样值标记为p(1)和f(1)；当前采样次数为k，令k=1；（2）建立由M个元素构成的水压值数组{p(i)}，以及变频器输出频率数组{f(i)}，其中i={k-M+1,k-M+2,...k}，M为预先设定的大于1的正整数，k为当前采样次数；p(i)i<=0=0，f(i)i<=0=0；（3）判断供水系统是否处于稳定状态；如果是，进入步骤（4）；否则，供水系统处于不稳定状态，则转入步骤（11）；（4）求解水压值的平均值以及变频器输出频率的平均值（5）标记当前时刻为t=0时刻，给变频器输出频率一个固定的任意扰动□F；（6）定义Qg[m]为t=mTs时刻的流量估计值,□pg(m)为对应的水压扰动量估计值；其中m=1,2,…,N，Td为预先定义的观测时间长度；令m=1，e(0)=0，其中为任意设定的流量估计值的初始值；（7）判断mTs>Td是否成立，如果成立，则转入步骤（11）；否则，计算（8）判断是否成立，如果不成立，则转入步骤（11）；否则，将流量估计值Qg[m]及t=mTs、□F、Pb、Vb、Tb和T代入公式求解得出□pg(m)；其中，Pb为供水系统气压罐额定压力值,Vb为供水系统气压罐气室额定体积,Tb为供水系统气压罐额定温度；T为环境温度；（9）分别求出判断是否同时满足|e(m)|<ε1和|e′(m)|<ε2；其中ε1和ε2分别为预先设定的正数；如果是，则进入步骤（10）；否则，更新变量和估计值，令m=m+1；令Qg[m]=Qg[m-1]-e′[m-1]e[m-1]，返回步骤（7）；（10）判断是否成立；其中，为预先设定的小流量运行状态对应的最大流量值；如果成立，则Qg[m]就是系统流量值，退出；否则，进入步骤（11）；（11）令k=k+1；在本次采样周期结束后，进行下一次采样，并标记水压值和变频器输出频率的采样值为p(k)和f(k)；返回步骤（2）。本专利技术的进一步设置在于，所述稳定状态的定义为：计算数组{p(i)}的标准差以及数组{f(i)}的标准差判断是否同时满足：σp<εp和σf<εf，其中：εp和εf为预先设定的正值；若满足，则认为供水系统处于稳定状态，否则，认为供水系统处于不稳定状态。本专利技术所述小流量在线检测方法具有如下有益效果：一、与现有通过安装流量传感器方案相比，本专利技术无需流量检测传感器及辅助电路即可实现小流量检测，省去了流量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、与现有的专用控制器+专用水泵电机方案相比，本专利技术可适用于各种型号的三相交流水泵电机供水的小流量检测，具有广泛的通用性。因为系统在小流量工况下运行时，其流量数学模型为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于牛顿法的小流量在线检测方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）以采样周期Ts为间隔对供水系统管网的水压值和变频器输出频率进行采样，将第一次采样值标记为p(1)和f(1)；当前采样次数为k，令k=1；（2）建立由M个元素构成的水压值数组{p(i)}，以及变频器输出频率数组{f(i)}，其中i={k?M+1,k?M+2,...k}，M为预先设定的大于1的正整数，k为当前采样次数；p(i)|iF‾=1MΣi=k-m+1kf(i);（5）标记当前时刻为t=0时刻，给变频器输出频率一个固定的任意扰动□F；（6）定义Qg[m]为t=mTs时刻的流量估计值，□pg(m)为对应的水压扰动量估计值；其中m=1,2,…,N，Td为预先定义的观测时间长度；令m＝1，e(0)=0，其中为任意设定的流量估计值的初始值；（7）判断mTs>Td是否成立，如果成立，则转入步骤（11）；否 则，计算（8）判断是否成立，如果不成立，则转入步骤（11）；否则，将流量估计值Qg[m]及t=mTs、□F、Pb、Vb、Tb和T代入公式求解得出□pg(m)；其中，Pb为供水系统气压罐额定压力值,Vb为供水系统气压罐气室额定体积,Tb为供水系统气压罐额定温度；T为环境温度；（9）分别求出判断是否同时满足|e(m)|<ε1和|e′(m)|<ε2；其中ε1和ε2分别为预先设定的正数；如果是，则进入步骤（10）；否则，更新变量和估计值，令m=m+1；令Qg[m]=Qg[m?1]?e′[m?1]e[m?1]，返回步骤（7）；（10）判断是否成立；其中，为预先设定的小流量运行状态对应的最大流量值；如果成立，则Qg[m]就是系统流量值，退出；否则，进入步骤（11）；（11）令k=k+1；在本次采样周期结束后，进行下一次采样，并标记水压值和变频器输出频率的采样值为p(k)和f(k)；返回步骤（2）。FDA00003802189800011.jpg,FDA00003802189800013.jpg,FDA00003802189800014.jpg,FDA00003802189800015.jpg,FDA00003802189800028.jpg,FDA00003802189800021.jpg,FDA00003802189800022.jpg,FDA00003802189800023.jpg,FDA00003802189800024.jpg,FDA00003802189800025.jpg,FDA00003802189800026.jpg...

【技术特征摘要】
1.一种基于牛顿法的小流量在线检测方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)以采样周期Ts为间隔对供水系统管网的水压值和变频器输出频率进行采样，将第一次采样值标记为p(1)和f(1)；当前采样次数为k，令k＝1；(2)建立由M个元素构成的水压值数组{p(i)}，以及变频器输出频率数组{f(i)}，其中i＝{k-M+1,k-M+2,...k}，M为预先设定的大于1的正整数，k为当前采样次数；p(i)|i＜＝0＝0，f(i)|i＜＝0＝0；(3)判断供水系统是否处于稳定状态；如果是，进入步骤(4)；否则，供水系统处于不稳定状态，则转入步骤(11)；所述稳定状态的定义为：计算数组{p(i)}的标准差以及数组{f(i)}的标准差判断是否同时满足：σp＜εp和σf＜εf，其中：εp和εf为预先设定的正值；若满足，则认为供水系统处于稳定状态，否则，认为供水系统处于不稳定状态；(4)求解水压值的平均值以及变频器输出频率的平均值(5)标记当前时刻为t＝0时刻，给变频器输出频率一个固定的任意扰动ΔF；(6)定义Qg[m]为t＝mTs时刻的流量估计值，Δpg(m)为对应的水压扰动量估计值；其中m＝1,2,…,N，Td为预先定义的观测时间长度...

【专利技术属性】
技术研发人员：李峰平，赵军平，彭志辉，胡雪林，
申请(专利权)人：台州神能电器有限公司，
类型：发明
国别省市：