CN107559941A

CN107559941A - 流量调节装置的控制

Info

Publication number: CN107559941A
Application number: CN201710518869.9A
Authority: CN
Inventors: 肖恩·伯顿; 迈克尔·哈特曼; 马里乌什·杰德热哲斯基; 马特加兹·欧索尼克
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 2016-06-30
Filing date: 2017-06-29
Publication date: 2018-01-09
Anticipated expiration: 2037-06-29
Also published as: EP3263996A1; LT3263996T; DK179749B1; RU2667851C1; EP3263996B1; DK201600391A1; CN107559941B; PL3263996T3

Abstract

一种控制流体流量调节装置的方法，通过控制信号来调节所述流体流量调节装置，在定义为在给定负载阈值之内的正常操作负载期间，该控制信号从0变化到100％，其中当所述流体流量调节装置将要关闭时，所述控制信号为0％，当所述流体流量调节装置将要打开时，所述控制信号为100％，但是当所述负载在所述负载阈值之外时，所述控制进入修改的控制，在该修改的控制中，所述控制信号或者永不为0％和/或永不为100％。一种包括所述控制方法的控制器。

Description

流量调节装置的控制

技术领域

本发明涉及一种当负载变低和/或高时控制诸如用于加热系统的且诸如阀门等的流量调节装置的方法，并且涉及执行该方法的控制器。

背景技术

当这种流量调节装置通过具有显著延迟的致动装置操作时，这可能导致控制上的振荡，当负载(例如，根据加热流体的回流温度的受控流速)接近于流量调节装置的极限(例如接近该阀的关闭位置或接近该阀的完全打开位置的阀开度)时，这是一个主要问题。

因此，本发明的目的是引入一种解决这些问题的方法和控制器。

发明内容

因此，本发明引入了一种控制流体流量调节装置的方法，通过控制信号来调节所述流体流量调节装置，在定义为在给定负载阈值之内的正常操作负载期间，该控制信号从0变化到100％，其中当所述流体流量调节装置将要关闭时，所述控制信号为0％，当所述流体流量调节装置将要打开时，所述控制信号为100％，但是当所述负载在所述负载阈值之外时，所述控制进入修改的控制，在该修改的控制中，所述控制信号或者永不为0％和/或永不为100％。因此，可以在该修改的控制中始终可能刺激所连接的致动装置，从而缩短响应时间。在其中致动装置是热蜡致动器的实施例中，这意味着它将永远不会完全冷或完全加热。

控制信号可以是脉冲宽度调制信号(PWM)，其中修改的控制信号由全循环周期P形成，每个循环周期P具有100％控制信号的打开周期Po和0％控制信号的关闭周期Pc，并且当负载低于低负载阈值时，控制信号进入低负载控制，其中即使当流量调节装置即将被关闭时，打开周期Po也高于零，和/或，当负载高于高负载阈值时，负载控制信号进入高负载控制，即使当流量调节装置即将被完全打开时，打开周期Po也将低于100％。

在一个实施例中，所述流体流量调节装置被连接到致动装置，从而根据来自所连接的控制器的被传送的控制信号来设定流体流量调节装置。

在一个实施例中，所述低负载控制中的控制信号低于反应点，该反应点被定义为其中所述致动器在打开状态和关闭状态之间改变流量调节装置的控制信号，和/或其中所述高负载控制中的控制信号高于所述反应点。分别在控制变为高负载或低负载控制时定义的高负载阈值和低负载阈值必须与平均反应点具有相当大的距离，因为这取决于诸如环境温度的因素。在一个实施例中，高负载阈值和/或低负载阈值是不恒定的，但是取决于诸如环境温度的因素。

在一个实施例中，流量调节装置是独立于压力的，并且可以形成包括压力控制阀装置的阀装置的一部分。

在一个实施例中，流体流量调节装置调节流量以维持流动系统中设定的基准回流温度，所述低负载与低流量和/或位于给定阈值之下的回流温度Tr相关。

为了进行流体调节装置的控制，诸如为了检测负载何时位于正常负载阈值(高于高负载阈值或低于低负载阈值)之外，温度传感器被连接到包括流体流量调节装置的流体流动系统，并将测量值传送到控制器以作为流体流量调节装置的控制的输入参数。

在一个实施例中，所述流体流动系统是单管加热系统，并且其中至少一个所述温度传感器连接到加热管线的回流侧。

在低负载控制的一个实施例中，打开周期Po等于或低于总周期P的10％或20％，关闭周期Pc高于或等于总周期P的90％或80，和/或对于高负载周期而言，打开周期Po等于或高于总周期P的90％或80％，关闭周期Pc小于或等于总周期P的10％或20％

在一个实施例中，控制是被进一步改进的回流温度Tr的控制，并且包括PID控制。

本发明还涉及一种控制器，所述控制器适于通过控制信号来调节流体流量调节装置，其中在定义为在负载阈值之内的正常操作负载期间，当所述流体流量调节装置即将被关闭时，控制信号为0％，当所述流体流量调节装置即将被完全打开时，所述控制信号为100％，其中，控制器与检测所述负载的装置进行数据通信，其特征在于，所述控制器包括修改的控制信号，在修改的控制信号中，所述控制信号或者永不为0％和/或永不为100％，并且当负载在所述负载阈值之外时进入所述修改的控制信号。

在各种实施例中，控制器适于根据任何前述实施例的方法进行操作。

附图说明

图1示出了单管式加热流动回路，该回路包括与供热系统(诸如区域供热系统)连接的连接件以及诸如散热器等的热交换装置。

图2示出了独立于压力的流量控制器。

图3示出了蜡致动器的根据控制信号的致动。

图4示出了形成为脉冲宽度调制信号(PWM)的控制信号。

图5是流程图，其示出了当负载在给定阈值之外时引入修改的控制信号的方法。

图6A和6B分别示出了采用回流温度的PI和PID控制方法的系统。

具体实施方式

图1是包括与供热系统3(如区域供热系统)连接的连接件2的加热流动回路1(诸如单管系统)的示意图。传热流体通过供应管线4被输送到多个加热管线5或立管，所述加热管线或立管沿着将其连接到回流管线6的供应管线4并联设置。

加热管线5可以连接到各自包括热交换装置8(诸如散热器等)的多个单独的热交换回路，其中每个热交换回路可以形成用于单个公寓或仅仅是一般家用位置的加热回路。包括热交换装置8的这些回路沿着加热管线被串联设置，尽管一个热交换装置被关闭，但旁路管线仍确保流体的分布。加热管线5还包括位于热交换装置8下游的流量控制器7。

传感器，例如流量传感器和/或温度传感器9，可以连接到加热管线5的一部分或全部，其中所示的实施例示出传感器位于热交换装置8的下游，但位于流量控制器7的上游。

此外，传感器，例如流量传感器和/或温度传感器10，可以连接到供应管线4，回流管线6和连接件2等

控制器11与流量控制器7的致动装置13(或只是致动器)进行数据通信12连接，以响应于来自控制器11的控制信号来调节流量。

流量控制器7在一个实施例中是包括阀元件的阀，该阀元件在操作中与节流元件(或阀座)一起限定由阀元件相对于节流元件的位置给出的阀开度。然后，阀开度限定通过阀门的流量，并且因此限定流体系统连接到哪里。图2中示出了阀7的一个实施例，所示阀是独立于压力的阀，其包括压力控制部件14，该压力控制部件14由响应于作为压力控制的流量控制装置上的压力差而偏转的膜形成。独立于压力的阀7的其它实施例也将适用于非独立于压力的阀7。

流量控制器7在一个实施例中是响应于热交换流体的温度变化而改变流量的热控制器，例如致动装置13可以是蜡热致动器(wax thermal actuator)，但是本发明也可以应用到其他类型的致动器，例如在响应上存在显著的时间延迟的哪些类型的致动器。

在诸如单管加热系统等的流动系统1中的回流温度控制RTC是如下的一种控制方法：其中各个加热管线5中的流量被调节以便将最后一个热交换装置8的下游的给定设定温度(因此作为回流温度)保持在给定点，该给定点可以根据其他条件(如外部温度等)进行调整。该方法可用于将原本传统的恒定流量单管加热系统变为可变流量流动系统，单管系统能够以部分负载工作，从而提高能源效率。

图3示出了致动装置13是或包括热蜡致动器的实施例的情况。这种蜡恒温元件在熔融时使用蜡的热膨胀将热能转化为机械能，但通常仅具有关闭或打开位置。在图3中，关闭位置和打开位置之间的传递曲线30被示为相对于控制信号15非常陡峭，因此大致地，对于低于反应点的所有控制信号15而言，致动器13将关闭，并且对于高于反应点的所有控制信号15而言，致动器13将完全打开。在致动器15(或蜡)反应之前，该反应点对应于某些最小控制信号15，并且可能根据环境温度显著地波动。至少在低负载下，将看到时间可能会有一个显著的延迟，如在后文将说明的。

在图3中，X轴表示从0(无信号或0％信号)到1(全信号或100％信号)的控制信号范围15，其中曲线30示出了在大约3.5(或35％)(反应点)的控制信号15中的致动设置，但精确值取决于控制信号15的性质/定义，环境温度(例如PWM脉冲的幅度，如稍后描述)，精确的致动器13实施例等。

一般应该注意的是，如图3所示，正如其他附图所示，仅仅是为了说明本发明的实施例的概念，被公开的确切细节、值、图形等仅仅作为示例。

图4示出了可选地通过所连接的致动装置13而进行流量控制器7的脉宽调制(PWM)控制的实施例，其中控制信号15在周期上发生改变。在图中，示出了四个不同的控制信号15，每个控制信号15包括一个循环周期P，该循环周期P是控制信号15导通(在所示实施例中，其处于等于100％的全信号)的周期Po和控制信号15截止(在所示实施例中意味着它处于等于0％的无信号)的周期Pc的总和。在实际系统中，控制信号15通常将是一定幅度(脉冲幅度)上的电压或电流，但在图3和图4中，它被归一化为从0到100％的范围，或者如图3所示，从0到1的分数。

示意性地示出的四个不同的控制信号15包括：50％控制信号15a，其中控制信号在循环周期P的时间的50％内是导通的，因此Po＝Pc＝50％，或在替代标尺中Po＝Pc＝0.5。所示的第二控制信号15b在循环周期的30％的时间内是导通的，因此Po＝30％，Pc＝循环周期P的70％。所示的第三控制信号15c在循环周期P的10％的时间内是导通的，因此Po＝10％，Pc＝循环周期的90％。所示的第四控制信号15d在循环周期P的90％的时间内是导通的，因此Po＝90％，Pc＝循环周期的10％。因此，全信号将是控制信号15在全循环周期P内导通，并且无信号是控制信号15在全循环周期P内截止。在更一般的术语中，该PWM实施例中的控制信号15与信号完全导通的时间或周期相对于全周期的分数相关，并且信号在周期的其余部分中截止。整个循环周期可以是恒定的，也可以随着时间的推移而变化，并且可以是可调的，因此相应地调节打开周期Po和关闭周期Pc。

在流动系统1的低负载的情况下，其中热交换装置8仅提取少量的热量，控制性能变得越来越重要。

对于包括致动装置13或连接到致动装置13的流量控制器7，其中致动装置在其响应中具有一些延迟，或至少响应时间使得在低负载(或低流量)下或在过高的流动温度(高流量)下可能发生问题，致动器13的慢响应特性可能会损害控制性能，这可能导致受控回流温度的振荡。这种致动装置13的一个示例是热蜡致动器，其中由于加热蜡元件的性质，致动器可能需要长达3-4分钟才能开始致动，然后是3-4分钟的打开时间，最终结果可以是8分钟的响应。相反的情况发生在满载的情况下。

在一个实施例中，当负载变低时，这意味着低流量和/或回流温度低于给定阈值，则控制器11将通过低负载控制22a以如下的方式来改变控制信号15(参见图5)，该控制信号为整个循环周期的0％时将更新。因此，确保致动装置13的响应时间将显著更快。这可以通过将控制信号15设置在低于反应点的水平，例如低于20％，或低于10％或低于5％。

因此，在低负载下，关闭信号(意味着将流量控制器7保持为关闭的信号)将高于零，但是充分地低于反应点的范围，因为它们可能预期会根据环境温度的预期变化而发生波动。低负载控制22a有助于防止致动装置13太冷。

在一个实施例中，如果流量和/或回流温度在给定阈值范围之内，则该方法将返回到普通控制方法。

在一个实施例中，作为附加或替代特征，当负载高(或这意味着高流量和/或回流温度高于给定阈值)时，则控制器11将通过高负载控制22b以如下的方式来改变控制信号15(参见图5)，该控制信号为整个循环周期的100％时将更新。由此，确保致动装置(13)的响应时间将显著更快。这可以通过将控制信号15设置在高于反应点的水平，例如高于80％，或高于90％或高于95％。

因此，在高负载下，关闭信号(意味着保持流量控制器7打开的信号)低于零，但充分地高于反应点的范围，因为它们可能预期会根据环境温度的预期变化而波动。高负载控制22b有助于防止致动装置13过热。

在图5中，示出了根据实施例的由控制器11运行的控制方法的基本流程图。系统通常将在正常负载情况下工作，其中当负载在给定负载阈值内时，也就是当负载高于低负载阈值和/或低于高负载阈值时，控制信号15在正常控制方法20下运行。

当负载变低21时，这意味着如果出现低流量和/或回流温度低于给定的低负载阈值，那么它将开始低负载控制22a，其中控制信号15包括非零打开周期Po，其中信号Po低于临界反应点。替代地，当负载变高(21)时，意味着如果出现高流量和/或回流温度高于给定的低负载阈值，则它将开始高负载控制22b，其中控制信号15包括打开周期Po＜100％，其中信号Po高于临界反应点。

在一个实施例中，如果流量和/或回流温度在给定阈值范围之内23，则该方法将返回到常规控制方法(20)，即如何在正常负载期间执行控制，否则将从步骤22a，22b开始重复。

在一个实施例中，控制器11根据PID控制进行调节。图6A和6B示意性地示出了根据回流温度设定点40对回流温度Tr进行控制，其中，图6A示意性地示出了根据PI控制方法的控制，图6B示出了根据PID控制方法的控制。

PID控制包括三个部分，其中部分“P”表示误差的当前值(其中大的和正的误差给出了大的和正的控制输出等)。部分“I”是一个整合，并解释了误差的过去值，其中当前输出不足时，误差将随着时间的推移而累积，控制器将通过应用更强大的动作而作出回应。这是如图6A所示的，其中在根据上述低负载控制22a方法和/或高负载控制22b方法进行控制时，已经经历了事件的情况下，尽管仍然显著改善了振荡的问题仍然不能完全解决振荡问题，系统仍然可能反应过快。

因此，在一个实施例中，包括“D”(差分部分)(完全PID控制)，其中该部分基于误差的当前的变化率来解释误差的可能的未来值。

Claims

1.一种控制流体流量调节装置(7)的方法，通过控制信号(15)来调节流体流量调节装置(7)，在定义为在给定负载阈值之内的正常操作负载期间，该控制信号(15)从0变化到100％，其中当流体流量调节装置(7)将要关闭时，控制信号(15)为0％，当流体流量调节装置(7)将要打开时，控制信号(15)为100％，其特征在于当所述负载在所述负载阈值之外时，所述控制进入修改的控制(22a，22b)，在该修改的控制中，控制信号(15)或者永不为0％和/或永不为100％。

2.根据权利要求1所述的控制流体流量调节装置(7)的方法，其中修改的控制信号(22)由全循环周期P形成，每个循环周期P具有100％控制信号(15)的打开周期Po和0％控制信号(15)的关闭周期Pc，并且当负载低于低负载阈值时，控制信号(15)进入低负载控制(22a)，在低负载控制(22a)中，即使当流量调节装置(7)即将被关闭时，打开周期Po也高于零，和/或，当负载高于高负载阈值时，负载控制信号(15)进入高负载控制(22b)，在高负载控制(22b)中，即使当流量调节装置(7)即将被完全打开时，打开周期Po也将低于100％。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，流体流量调节装置(7)被连接到致动装置(13)，所述致动装置(13)根据来自所连接的控制器(11)的被传送的控制信号(15)来设定流体流量调节装置(7)。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述低负载控制(22a)中的控制信号(15)低于反应点，该反应点被定义为其中致动装置(13)在打开状态和关闭状态之间改变流量调节装置(7)的控制信号(15)，和/或其中所述高负载控制(22b)中的控制信号(15)高于所述反应点。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述高负载阈值和/或低负载阈值取决于环境温度。

6.根据权利要求5所述的方法，其中在所述低负载控制(22a)中，打开周期Po等于或低于总周期P的10％，并且关闭周期Pc高于或等于总周期P的90％，和/或在高负载控制(22b)中，打开周期Po等于或高于总周期P的90％，并且关闭周期Pc小于或等于总周期P的10％。

7.根据权利要求6所述的方法，其中在所述低负载控制(22a)中，打开周期Po等于或低于总周期P的20％，并且关闭周期Pc高于或等于总周期P的80％，和/或在高负载控制(22b)中，打开周期Po等于或高于总周期P的80％，并且关闭周期Pc小于或等于总周期P的20％。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法包括通过PID控制来控制回流温度Tr。

9.一种控制器(11)，所述控制器适于通过控制信号(15)来调节流体流量调节装置(7)，其中在定义为在负载阈值之内的正常操作负载期间，当流体流量调节装置(7)即将被关闭时，控制信号(15)为O％，当流体流量调节装置(7)即将被完全打开时，控制信号(15)为100％，其中，控制器(11)与检测所述负载的装置进行数据通信，其特征在于，所述控制器(11)包括修改的控制信号(22)，在修改的控制信号(22)中，控制信号(15)或者永不为0％和/或永不为100％，并且当负载在所述负载阈值之外时进入所述修改的控制信号。

10.根据权利要求9所述的控制器(11)，其中流体流量调节装置(7)形成包括压力控制阀装置(14)的阀装置的一部分。

11.根据权利要求10所述的控制器(11)，其中，流体流量调节装置(7)调节流量以维持流动系统(1)中的设定的参考回流温度(40)，低负载与低流量和/或位于给定阈值之下的回流温度Tr相关。

12.根据权利要求11所述的控制器(11)，其中温度传感器(9)被连接到包括流体流量调节装置(7)的流体流动系统(1)并将测量值传送到控制器(11)以作为流体流量调节装置(7)的控制的输入参数。

13.根据权利要求12所述的控制器(11)，其中所述流体流动系统(1)是单管加热系统，并且其中温度传感器(9)中的至少一个连接到加热管线(5)的回流侧。

14.一种根据权利要求13所述的控制器(11)，其适于根据权利要求2-7中任一项所述的方法进行操作。

15.一种根据权利要求14和权利要求4所述的控制器(11)，其中所述致动装置(13)是热蜡致动器。