本发明专利技术提供了一种基于反求法的高效变频恒压供水系统的控制方法，包括：建立输出功率、频率扰动量和水压变化量之间的数学模型及约束条件，形成供水系统输出功率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，采样管网压力值，根据输出功率数学模型迭代计算出稳态时轴输出功率，根据轴输出功率的值自动选择不同功率的水泵电机工作。本发明专利技术可确保系统高效运行，从而显著提高变频恒压供水系统的工作效率。本发明专利技术可有效保护电机和变频器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】
【专利摘要】本专利技术提供了一种基于反求法的高效变频恒压供水系统的控制方法，包括：建立输出功率、频率扰动量和水压变化量之间的数学模型及约束条件，形成供水系统输出功率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，采样管网压力值，根据输出功率数学模型迭代计算出稳态时轴输出功率，根据轴输出功率的值自动选择不同功率的水泵电机工作。本专利技术可确保系统高效运行，从而显著提高变频恒压供水系统的工作效率。本专利技术可有效保护电机和变频器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。【专利说明】
本专利技术属于机电设备控制领域，具体涉及。
技术介绍
水泵作为一种高耗能通用机械，广泛应用于工农业生产和居民生活的各个领域，每年消耗在水泵机组上的电能占全国总电耗的21%以上，在供水企业中占生产成本的30%?60%。水泵以及水泵系统的效率哪怕仅仅提高1%，都会对全球的节能和环保带来了巨大的利益，而水泵消耗的电能的30%?50%都是可以节约。通过采用变频控制技术能有效地降低水泵的能耗，每年可节电282亿kWh,实现节能减排目标。但变频控制技术实现节能前提是水泵始终运行于高效率区间。然而，供水用户的用水量在空间和时间上具有随机性和不确定性，不能保证水泵始终运行在高效率区间。特别是在用水低谷时间段，由于用水量很小，变频器和水泵工作于低频状态。此时，电机热损耗和低频振动严重，整个变频恒压供水系统能耗急剧增大，系统效率低下。这种工况下不但不能实现节能减排，而且水泵电机因为长期低频运行导致机械振动和电机定子绕组发热严重，降低系统的安全可靠性和使用寿命，对供水的安全可靠性和生产成本产生不利影响，更为严重的甚至导致安全事故的发生。因而，必须解决小流量情况下变频供水系统的效率问题。变频恒压供水系统高效率运行是供水系统实现节能减排、安全可靠供水需要重点解决的关键技术问题。传统的供水方案采用变频电机构成主泵和工频运行电机构成辅泵并联运行。通常情况下，由变频主泵电机供水。当变频主泵全速运行仍不能满足恒压供水时，此时启动辅泵并联运行，满足大流量恒压供水需求。但上述方案存在以下问题:①如何检测水泵输出的机械功率Pwt⑴。由于水泵输出机械功率为Pwt⑴=p(t) Xq(t)(其中:在t时刻，Pwt⑴为输出机械功率，P⑴为水压，q(t)为流量)，因而必须增加流量传感器，这样将导致系统结构复杂，成本增加。②主泵辅泵并联运行时，并不能一定保证其方案的高效率运行。并且主泵有可能工作于低频状态，导致主泵热损耗和低频振动严重在小流量情况下，主泵处于低频运行状态，导致电机效率低下及低频噪声严重，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。因而，高效变频恒压供水系统在国内冶金、钢铁、石油、化工、水处理、矿山以及居民生活用水等领域具有非常广阔的市场前景。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种基于反求法的高效变频恒压供水系统的控制方法，该控制方法无需流量传感器、成本低、通用性好。一种基于反求法的高效变频恒压供水系统的控制方法，包括如下步骤:(I)以采样周期Ts为间隔对供水系统管网的水压值进行采样，将第一次采样值标记为P (I);标记当前采样次数为k;定义压力误差e(k) = Pset-P (k);其中，6(1)|1< =。= 0屮-为预先设定的水压值；p(k)为采样次数为k时的压力值，f(k)为采样次数为k时逆变电路的输出频率值；f(i) Ii<=o = O ;令k=l ;(2)由恒压PID控制算法求出t = kTs时刻逆变电路的输出频率值f(k) = f(k-l)+Kpe (k)+Kie(k-l)+Kpe(k-2)；其中，e(k-l)、f(k-l)分别为t = (k-l)Ts时刻的压力误差和逆变电路的输出频率；e(k-2)为t = (k-2) Ts时刻的压力误差；Kp、Ki和Kd分别为预先设定的PID算法中的比例系数、积分系数和微分系数；更新变量，令e (k-2) = e (k_l), e (k_l) = e (k), f (k~l) = f (k)；(3)建立由M个元素构成的水压值数组{ρ(Ψ)}和逆变电路的输出频率数组{f(￥)l ;其中Ψ = {k-M+1，k-M+2，...k}，M为预先设定的大于I的正整数；ρ(Ψ)| ψ<=。=O, f (ψ) ψ<=0 = O ；(4)判断供水系统是否处于稳定恒压供水状态，如果是，进入步骤(5);否则，进入步骤⑶;(5)求解逆变电路输出频率的平均值【权利要求】1.一种基于反求法的高效变频恒压供水系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤: (O以采样周期Ts为间隔对供水系统管网的水压值进行采样，将第一次采样值标记为P(I);标记当前采样次数为k;定义压力误差e(k) = Pset-p (k);其中，e(i) |i< = (l = O ;Pset为预先设定的水压值；p(k)为采样次数为k时的压力值，f (k)为采样次数为k时逆变电路的输出频率值；f (i) I K = C1 =O；令 k=l ； (2)由恒压PID控制算法求出t= kTs时刻逆变电路的输出频率值f(k) = f(k-l)+Kpe (k) +Kje (k~l) +Kpe (k~2)； 其中，e(k-l)、f(k-l)分别为t = (k-l)Ts时刻的压力误差和逆变电路的输出频率；e (k-2)为t = (k-2)Ts时刻的压力误差； Kp、Ki和Kd分别为预先设定的PID算法中的比例系数、积分系数和微分系数；更新变量，令 e (k-2) = e (k_l), e (k_l) = e (k), f (k_l) = f (k)； (3)建立由M个元素构成的水压值数组{ρ(Ψ)}和逆变电路的输出频率数组{f(uO}；其中Ψ = {k-M+1, k-M+2,...k}, M为预先设定的大于I的正整数；ρ(Ψ) I ψ< =。= O，f(ψ)IΨ<=ο = O； (4)判断供水系统是否处于稳定恒压供水状态，如果是，进入步骤(5);否则，进入步骤(6)； (5)求解逆变电路输出频率的平均值F= | Σ I'G//)，进入步骤(8); 丄Vl ψ-k-Mλ-\(6)判断是否满足il^x_%<=3%，如果是，转入步骤(18);否则，进入步骤(7)； (7)控制当前运行的水泵电机Md亭止运行，同时控制功率大一级的水泵电机Mp1工作，转入步骤(18)； (8)令n=lTd为预先定义的观测时间长度； (9)标记当前时刻为t=0时刻，给输出频率一个固定的任意扰动AFn；(10)令m=l ； (11)判断mTs> Td是否成立；如果成立，则进入步骤(13);否则，在t = mTs时刻，采样管网压力值 Pn (m),得到 Δ pn (m) = P (m) -Pset ； (12)判断<=0.05是否成立；如果不成立，则标记Nn= m，进入步H set骤(14)；否贝 1J，将 Apn(m)、Pset, F、AFn、Tb、P、g、Pb、Vb、T 和 t = mTs 代入公式 (X yr, 7, J7Foutim]T本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于反求法的高效变频恒压供水系统的控制方法，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进行采样，将第一次采样值标记为p(1)；标记当前采样次数为k；定义压力误差e(k)＝Pset?p(k)；其中，e(i)|i＜＝0＝0；Pset为预先设定的水压值；p(k)为采样次数为k时的压力值，f(k)为采样次数为k时逆变电路的输出频率值；f(i)|i＜＝0＝0；令k=1；（2）由恒压PID控制算法求出t＝kTs时刻逆变电路的输出频率值f(k)＝f(k?1)+Kpe(k)+Kie(k?1)+Kpe(k?2)；其中，e(k?1)、f(k?1)分别为t＝(k?1)Ts时刻的压力误差和逆变电路的输出频率；e(k?2)为t＝(k?2)Ts时刻的压力误差；Kp、Ki和Kd分别为预先设定的PID算法中的比例系数、积分系数和微分系数；更新变量，令e(k?2)＝e(k?1)，e(k?1)＝e(k)，f(k?1)＝f(k)；（3）建立由M个元素构成的水压值数组{p(ψ)}和逆变电路的输出频率数组{f(ψ)}；其中ψ＝{k?M+1,k?M+2,...k}，M为预先设定的大于1的正整数；p(ψ)|ψ＜＝0＝0，f(ψ)|ψ＜＝0＝0；（4）判断供水系统是否处于稳定恒压供水状态，如果是，进入步骤（5）；否则，进入步骤(6)；（5）求解逆变电路输出频率的平均值进入步骤(8)；（6）判断是否满足如果是，转入步骤（18）；否则，进入步骤(7)；（7）控制当前运行的水泵电机Mj停止运行，同时控制功率大一级的水泵电机Mj+1工作，转入步骤（18）；（8）令n=1；Td为预先定义的观测时间长度；（9）标记当前时刻为t=0时刻，给输出频率一个固定的任意扰动ΔFn；（10）令m=1；（11）判断mTs＞Td是否成立；如果成立，则进入步骤(13)；否则，在t＝mTs时刻，采样管网压力值pn(m)，得到Δpn(m)＝p(m)?Pset；（12）判断是否成立；如果不成立，则标记Nn＝m，进入步骤(14)；否则，将Δpn(m)、Pset、ΔFn、Tb、ρ、g、Pb、Vb、T和t＝mTs代入公式Δpn(m)Pset=(2F‾×ΔFn+ΔFn2)F‾2(1-e-Poutn[m]TbρgPbVbTt),求解得出其中，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，ρ为液体密度；g为重力加速度；更新变量，令m＝m+1;返回步骤(11)；（13）计算平均值进入步骤(15)；（14）计算平均值进入步骤(15)；（15）更新变量，令n=n+1;判断n＞5是否成立，如果是，进入步骤(16)；否则，进入步骤(9)；（16）计算标准差判断σPout＜0.5是否成立，如果是，则进入步骤(17)；否则，转入步骤（18）；（17）令计算实际流量判断Qout＜＝Qmin是否满足，其中Qmin为预先设定的最小流量值；如果是，则说明系统处于小流量工作状态，逆变器输出关闭，进入步骤（18）；否则，计算PΔ1=Pe1-Pout,PΔ2=Pe2-Pout和PΔ3=Pe3-Pout,其中分别为水泵电机M1、M2、M3的额定功率；比较和将和中正的最小值所对应的水泵电机记为Mu，u=1、2或3；控制器控制水泵电机Mu开始工作，并关闭其余的水泵电机，进入步骤（18）；（18）令k=k+1；在本次采样周期结束后，进行下一次采样，并标记水压值的采样值为p(k)；返回步骤（2）。FDA0000379873180000021.jpg,FDA0000379873180000022.jpg,FDA0000379873180000023.jpg,FDA0000379873180000024.jpg,FDA0000379873180000025.jpg,FDA0000379873180000027.jpg,FDA0000379873180000028.jpg,FDA0000379873180000029.jpg,FDA0000379873180000031.jpg,FDA0000379873180000032.jpg,FDA0000379873180000033.jpg,FDA00003798731800000319.jpg,FDA00003798731800000321.jpg,FDA00003798731800000312.jpg,FDA00003798731800000322.jpg,FDA00003798731800000315.jpg...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：彭志辉，李峰平，赵军平，付培红，胡雪林，
申请(专利权)人：温州大学，
类型：发明
国别省市：
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