CN101654920B - 一种基于优化自抗扰控制的管网叠压供水系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及二次供水系统以及自动控制领域，特别涉及一种基于优化自抗扰控制的管网叠压供水系统，该系统包括变频器、异步电动机、水泵、压力传感器以及基于自抗扰算法的数字控制单元，基于自抗扰算法的数字控制单元将接收到的压力传感器输入的压力值，经A/D转换和内部自抗扰程序处理后，以模拟电压信号的形式输出到变频器；变频器输出端接异步电动机的输入端，异步电动机根据变频器给定的电压和频率信号进行调速，从而对水泵出口压力进行调节。其有益效果为：解决现存的管网叠压供水系统控制问题，从而使该系统响应速度、抗干扰性、鲁棒性等性能得到改善，并且提高供水的安全性和用户用水的舒适性。

Description

一种基于优化自抗扰控制的管网叠压供水系统

技术领域

本发明涉及二次供水系统以及自动控制领域，特别涉及一种基于优化自抗扰控制的管网叠压供水系统。

背景技术

随着科技的进步和社会的发展，给排水设备经历了从传统的水泵加压屋顶水箱到现在比较常见的变频恒压供水系统，20世纪末又出现了一种新型的供水设备-管网叠压供水系统。该系统是在变频恒压供水系统的基础上发展起来的，它不仅继承了变频恒压供水的优点，而且充分利用了管网余压，减少了能源浪费；此外取消了水池水箱等大容积设备，既减少了占地面积和安装难度，也有效避免了水质污染等问题。但是叠压供水系统在解决原有问题的同时也带来了自身的一些问题，特别是叠压供水系统是将加压设备串接在市政管网上的，如果控制不当将直接影响市政管网的压力，从而影响其他用户用水，这就对叠压供水系统的控制提出了更高的要求。申请号为200810057135.6的专利申请“双控智能型叠压供水系统”提出对叠压供水系统采用压力传感器和液位传感器双信号控制的方法和将进水口设在稳流补偿器底端的方法来增加系统的安全性和减小管网压力的干扰，专利号为200820090546.0的专利申请“全自动双变频叠压供水设备”也提出了采用变频器协调工作来增加系统的可靠性。然而，目前关于管网叠压供水系统控制算法的研究还很少，需要进行深入研究以保证供水安全，提高供水质量。

供水系统本身是一个多变量、非线性、多耦合的系统，其精确数学模型一般很难确定，而叠压供水系统由于叠加了管网压力，出口压力受到市政管网余压和用户流量的双重影响，与传统变频恒压供水系统相比相当于增加了一个变量的作用，使得系统运行的变化范围更大，更容易受到外界的干扰。目前，二次供水系统多采用传统的PID控制，虽然能够保证供水压力静态偏差基本达标，满足用户用水的流量需求，却不能顾及调速过程的动态特性，供水动态品质较差。如果调节不当，则会使供水过程中压力振荡幅值过大，引发供水管路振荡、水流喘振等多种不良状态，影响供水稳定性及用户的用水舒适性。

自抗扰控制技术是一种非线性数字控制技术，它继承了PID基于误差控制而不是模型控制的优点，因此不要求被控对象的数学模型，且对干扰具有很好的抑制作用，也很容易使用。然而，该控制技术在跟踪微分器和扩张状态观测器部分的运算比较复杂，占用了很多运算时间直接影响到了系统的实时控制，更主要的是目前被使用在二次供水系统中的控制设备还比较简单，无法适应特别复杂的控制算法。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述现有技术中的不足，而提供一种基于优化自抗扰控制的管网叠压供水系统，以解决现存的管网叠压供水系统控制问题，从而使该系统响应速度、抗干扰性、鲁棒性等性能得到改善，并且提高供水的安全性和用户用水的舒适性。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：一种基于优化自抗扰控制的管网叠压供水系统，该系统包括变频器、异步电动机、水泵、压力传感器以及基于自抗扰算法的数字控制单元，其特征在于：所述的基于自抗扰算法的数字控制单元将接收到的压力传感器输入的压力值，经A/D转换和内部自抗扰程序处理后，以模拟电压信号的形式输出到变频器；变频器输出端接异步电动机的输入端，异步电动机根据变频器给定的电压和频率信号进行调速，从而对水泵出口压力进行调节。

上述基于自抗扰算法的数字控制单元由过渡过程、扩张状态观测器、非线性组合和动态扰动补偿四部分组成。

上述基于自抗扰算法的数字控制单元的自抗扰程序的工作步骤为：

①系统初始化；②检测各点压力值；③判断有无故障发生；④有故障时进行相应的事故处理并报警；⑤系统正常运行时，将压力值经A/D转换后利用自抗扰控制算法进行处理；⑥将得到的控制量以模拟信号形式输出；⑦检测有无停止信号；⑧若无停止信号，继续检测各点压力值，循环上述程序；⑨若有停止信号，则程序停止。

本发明的有益效果：

1.自抗扰算法的数字控制单元通过安排过渡过程，解决了传统PID快速和超调之间的矛盾，使得控制器中的各参数选择范围更大，参数整定起来更加方便。

2.采用自抗扰算法的数字控制单元后，叠压供水系统控制效果得到了很大改善，如响应速度更快，抗干扰能力更强，鲁棒性更好等。

3.通过优化自抗扰算法的数字控制单元的过渡过程，使得该算法在控制性能没有太大的影响的情况下，对于目标参考值无变化且不易受干扰的一类控制对象的计算更加简化，应用起来更加容易。

4.该控制单元实时对叠压供水系统各点压力值进行检测，一旦发生事故可及时报警，提高了系统运行的安全性，防止其对市政管网压力产生影响。

附图说明

图1基于自抗扰算法的数字控制单元的管网叠压供水系统整体结构图

图2系统软件流程图

图3管网叠压供水系统启动时水泵扬程变化曲线

图4管网叠压系统受干扰时水泵扬程变化曲线

具体实施方式

工作原理：由于供水系统采用恒压供水模式，压力参考值是在安装设备时就直接设定在控制器内部的，正常运行时参考值为常数，其导数为零。基于以上原因，将二阶自抗扰控制器中快速跟踪微分器的函数换成如下函数：

$z_{11}=\left\{\begin{array}{cc}{v}_0\&CenterDot;\sin \left(\frac{\mathrm{\&pi;}}{2T}t\right)& t<T\\ v_0& t\&GreaterEqual;T\end{array}\right.---\left(1\right)$

$z_2=\left\{\begin{array}{cc}{v}_0\&CenterDot;\frac{\mathrm{\&pi;}}{2T}\cos \left(\frac{\mathrm{\&pi;}}{2T}t\right)& t<T\\ 0& t\&GreaterEqual;T\end{array}\right.---\left(2\right)$

通过这种方法，自抗扰控制器解决了传统PID控制器快速和超调的矛盾，对设备硬件的要求大大降低，控制器在系统稳定运行时也可以节省更多计算时间以达到更高的控制精度。

实施例：如图1，该系统主要由变频器(1)、异步电动机(2)、水泵(3)、压力传感器(8)以及基于自抗扰算法的数字控制单元(6)组成。压力传感器(8)用于探测管网叠压供水系统各个部分的压力值；基于自抗扰算法的数字控制单元(6)将接收到的压力传感器(8)输入的压力值，经A/D转换和内部自抗扰程序处理后，以模拟电压信号的形式输出到变频器(1)；变频器(1)输出端接异步电动机(2)的输入端，异步电动机(2)根据变频器(1)给定的电压和频率信号进行调速，从而对水泵(3)出口压力进行调节，使得其与设定的参考值一致。

基于自抗扰算法的数字控制单元(6)由过渡过程(4)、扩张状态观测器(7)、非线性组合(5)和动态扰动补偿四部分组成。其主要是数字控制器内部的程序，它将水泵(3)出口压力和参考值作为输入，最终将控制信号以模拟电压的形式输出到变频器(1)。本发明针对管网叠压供水系统这一特殊对象，将自抗扰算法的数字控制单元中的快速跟踪微分器简化成一简单的函数(如式1、式2所示)，该函数仅在系统启动时起作用，系统稳定运行时可以大大节省控制器运算的时间。对水泵(3)的出口压力值，自抗扰算法的数字控制单元(6)利用扩张状态观测器(7)进行观测。不仅可以估计出系统状态变量及其各阶微分信号，而且可以将系统未知模型部分和外界干扰一起作为系统总的扰动估计出来。非线性组合(5)部分主要是将安排的过渡过程(4)和扩张状态观测器(7)部分的信号相减后得到的误差及其微分信号利用非线性函数进行组合，以得到更好的控制效果。动态扰动补偿部分是将非线性组合得到的控制信号利用扩张状态观测器观测到的扩张状态变量进行修正，得到最终的控制信号。

如图3所示，上述所说的软件的工作步骤是：①系统初始化；②扫描各点压力值；③判断有无故障发生；④有故障时进行相应的事故处理并报警；⑤系统正常运行时，将压力值经A/D转换后利用自抗扰控制算法进行处理；⑥将得到的控制量以模拟信号形式输出；⑦检测有无停止信号；⑧若无停止信号，继续检测各点压力值，循环上述程序；⑨若有停止信号，则程序停止。

根据本实施例，使得自抗扰控制算法在不改变其优越的控制特性的情况下，得以在管网叠压供水系统得以实现。经过优化后的基于自抗扰算法的数字控制单元对硬件的要求并不很高，所以对于一般的二次供水系统硬件上无需进行太大改动，只需将对软件进行重新编程。应用本发明不仅可以提高系统的动态性能，抗干扰性和鲁棒性，而且提高了系统的安全性和用户用水的舒适性。

采用优化后的自抗扰控制算法的实施效果如图4和图5所示，为了进行对比，图中给出了采用传统PID控制算法的水泵扬程变化曲线。从图中可以看出，在系统启动时，采用自抗扰控制算法，水泵的扬程能更快速、更准确的响应给定扬程；在受到外界干扰时，采用自抗扰控制算法，水泵的扬程变化更小，供水质量更好。

这里以本发明的实施例为中心展开了详细的说明，所描述的方式或某些特性的具体体现，应当理解为本说明书仅仅是通过给出实施例的方式来描述本发明，实际上在组成、构造和使用的某些细节上会有所变化，包括软件的实现方式，部件的组合和组配，这些变形和应用都应该属于本发明的范围内。

Claims (3)

1.一种基于优化自抗扰控制的管网叠压供水系统，该系统包括变频器、异步电动机、水泵、压力传感器以及基于自抗扰算法的数字控制单元，其特征在于：所述的基于自抗扰算法的数字控制单元将接收到的压力传感器输入的压力值，经A/D转换和内部自抗扰程序处理后，以模拟电压信号的形式输出到变频器；变频器输出端接异步电动机的输入端，异步电动机根据变频器给定的电压和频率信号进行调速，从而对水泵出口压力进行调节。

2.根据权利要求1所述的一种基于优化自抗扰控制的管网叠压供水系统，其特征在于：所述的基于自抗扰算法的数字控制单元由过渡过程、扩张状态观测器、非线性组合和动态扰动补偿四部分组成。

3.根据权利要求1所述的一种基于优化自抗扰控制的管网叠压供水系统，其特征在于：所述的基于自抗扰算法的数字控制单元的自抗扰程序的工作步骤为：

①系统初始化；②检测各点压力值；③判断有无故障发生；④有故障时进行相应的事故处理并报警；⑤系统正常运行时，将压力值经A/D转换后利用自抗扰控制算法进行处理；⑥将得到的控制量以模拟信号形式输出；⑦检测有无停止信号；⑧若无停止信号，继续检测各点压力值，循环上述程序；⑨若有停止信号，则程序停止。

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