一种基于灰色关联法的变频恒压供水系统控制方法

摘要

本发明提供了一种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，以实际压力变化值作为参考序列，并依据模型求出压力变化值作为比较序列，运用灰色关联算法及灰色关联度判据在线检测轴输出功率；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。

主权项

1.一种基于灰色关联法的变频恒压供水系统控制方法，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)＝P_set-p(k)；其中，e(i)|_i＜＝0＝0；P_set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＝kT_s时刻逆变电路的输出频率值f(k)＝f(k-1)+K_pe(k)+K_ie(k-1)+K_pe(k-2)；其中，e(k-1)、f(k-1)分别为t＝(k-1)T_s时刻的压力误差和逆变电路的输出频率；e(k-2)为t＝(k-2)T_s时刻的压力误差；K_p、K_i和K_d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）判断是否满足如果满足，转入步骤（16）；否则，进入步骤(7)；（7）控制当前运行的水泵电机M_j停止运行；同时，控制功率大一级的水泵电机M_j+1工作，转入步骤（16）；（8）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ΔF；（9）定义为t＝mT_s时刻的轴输出功率估计值；其中m＝1,2,…,N，T_d为预先定义的观测时间长度；令其中为任意设定的轴输出功率估计值的初始值；令m=1，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；（10）判断mT_s＞T_d是否成立，如果成立，则转入步骤（16）；否则，在t＝mT_s时刻，采样管网压力值p(m)；得到Δp(m)＝p(m)-P_set；（11）判断是否成立；如果不成立，转入步骤（16）；否则，将估计值及P_set、ΔF、T_b、ρ、g、P_b、V_b、T和t＝mT_s代入公式$\frac{{\mathrm{\Delta p}}^g\left(m\right)}{P_{\mathrm{set}}}=\frac{(2\bar{F}\times \mathrm{\Delta F}+{\mathrm{\Delta F}}^2)}{{\bar{F}}^2}(1-e^{-\frac{P_{\mathrm{out}}^g\left[m\right]T_b}{\mathrm{\rho g}{P}_b{V}_{b}T}}),$求出压力波动估计值Δp^g(m)；其中，P_b为供水系统气压罐额定压力值,V_b为供水系统气压罐气室额定体积,T_b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；（12）将Δp(m)作为参考序列，Δp^g(m)作为比较序列，并对Δp(m)、Δp^g(m)进行归一化处理得到相应的归一化序列Δp₁(m)和（13）计算误差序列${\Delta }_0\left(m\right)=\left|\right|{\mathrm{\Delta p}}_1\left(m\right)-{\mathrm{\Delta p}}_1^g\left(m\right)\left|\right|,$求解Δp₁(m)、的关联系数${\xi }_0\left(m\right)=\frac{\Delta \left(\min \right)+\mathrm{\gamma \Delta }\left(\max \right)}{{\Delta }_0\left(m\right)+\mathrm{\gamma \Delta }\left(\max \right)};$（14）求解关联度$r=\frac{1}{10}\underset{\psi =m-10+1}{\overset{m}{\Sigma }}{\xi }_0\left(\psi \right),$其中ξ₀(ψ)|_ψ＜＝0＝0；判断r＞＝0.95是否成立；如果成立，进入步骤(15)；否则，更新变量，令m＝m+1；$P_{\mathrm{out}}^g\left[m\right]=P_{\mathrm{out}}^g[m-1]+\frac{1}{r}\mathrm{sgn}\left(\mathrm{\Delta p}\right[(m-1)]-{\mathrm{\Delta p}}^g[(m-1)\left]\right),$转入步骤(10)；（15）令计算实际流量判断Q_out＜＝Q_min是否满足，其中Q_min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（16）；否则，计算$P_{\Delta }^1=P_e^1-P_{\mathrm{out}},$$P_{\Delta }^2=P_e^2-P_{\mathrm{out}}$和$P_{\Delta }^3=P_e^3-P_{\mathrm{out}},$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M_u，u=1、2或3；控制器控制水泵电机M_u开始工作，并关闭其余的水泵电机，进入步骤（16）；（16）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）。