一种流量控制系统及优化控制策略技术方案

本发明专利技术提供一种流量控制系统及优化控制策略。首先得到对应的流量变化值与相对稳态压力值的关系式，通过

A flow control system and optimal control strategy

The invention provides a flow control system and an optimized control strategy. First, the relationship between the corresponding flow change value and the relative steady pressure value is obtained.

【技术实现步骤摘要】
一种流量控制系统及优化控制策略
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优化控制策略，实现流量系统的高效运行。
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优化控制策略。本专利技术提供一种流量控制系统及优化控制策略，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算法中的比例系数、积分系数和微分系数，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)获取流量值数组{q(i)}的平均值并判断流量控制系统是否处于相对稳定状态；6)在确定流量控制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，Qset为设定输出流量；7)在确定不成立时，则视为当前工作的泵Mj最大扬程太小，j＝1，2，3，令控制开关Sj＝0，控制Mj停止运行；同时，令控制开关Sj+1＝1，控制扬程大一级的泵Mj+1工作，j+1<＝3，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)，重复以上步骤；8)在确定成立时，则获取变频器输出频率的平均值9)以此时刻标记为t＝0，给输出频率一个较小的扰动量ΔF，f(mTs)＝F+ΔF；10)判断m＞M是否成立，其中11)若m＞M不成立，则在t＝mTs时刻，采样流量值q(m)；得到并判断其中α为设定正值；若成立，则更新m＝m+1，并重新进行m＞M判定，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)，重复以上步骤；若成立，则将流量变化量Δq(m)、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1)中建立的关系式：并得出不同时间点的压力数据数组P[m]；12)并获取系统压力值13)获取经过点r(Q，P)的泵Mj的Q-H扬程特性曲线14)获取泵Mj的Q-H扬程特性曲线对应的频率Fj；15)获取泵Mj的Q-H扬程特性曲线与相似抛物线的交点aj和bj，j＝1，2，3；18)获取满足条件的泵Mj的高效运行性能参数ψj，ψj为非负数，ψj为参数aj、bj和r(Q，P)与对应高效区间AjBjCjDj的函数；19)求取ψi＝max{ψ1,ψ2,ψ3}对应的i，i＝1，2，3，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)，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+ΔF2)，其中：q1(t)＝Q+Δq1(t)，f(t)＝F+ΔF，p(t)＝P+Δp(t)，k'＝ηk/ρ，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并在pa(0)＝P时获取⑤根据步骤③和步骤④获得并最终得到所述高效区域AjBjCjDj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围成的扇环形区域步骤5)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，若满足，则认为流量控制系统处于稳定状态。ψj为r(Q，P)到区域AjBjCjDj的几何中心点的距离的导数，其中j＝1，2，3。ψj为r(Q，P)是否处于AjBjCjDj区域内及r(Q，P)到AjBjCjDj边界曲线的距离的加权函数，其中j＝1，2，3。ψj为r(Q，P)是否处于AjBjCjDj区域内及r(Q，P)到aj、bj距离的加权函数，其中j＝1，2，3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种流量控制系统及优化控制策略，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优化控制策略，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算法中的比例系数、积分系数和微分系数，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)获取流量值数组{q(i)}的平均值并判断流量控制系统是否处于相对稳定状态；6)在确定流量控制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，Qset为设定输出流量；7)在确定不成立时，则视为当前工作的泵Mj最大扬程太小，j＝1，2，3，令控制开关Sj＝0，控制Mj停止运行；同时，令控制开关Sj+1＝1，控制扬程大一级的泵Mj+1工作，j+1<＝3，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)，重复以上步骤；8)在确定成立时，则获取变频器输出频率的平均值9)以此时刻标记为t＝0，给输出频率一个较小的扰动量ΔF，f(mTs)＝F+ΔF；10)判断m＞M是否成立，其中11)若m＞M不成立，则在t＝mTs时刻，采样流量值q(m)；得到并判断其中α为设定正值；若成立，则更新m＝m+1，并重新进行m＞M判定，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)，重复以上步骤；若成立，则将流量变化量Δq(m)、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...

【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