CN110080341B - 一种二次供水系统监测装置及控制模型 - Google Patents

Abstract

本发明属于二次供水技术领域，具体涉及一种二次供水系统监测装置及控制模型，包括储水罐、水泵、蓄能器和监测运算装置，所述储水罐、水泵和蓄能器依次通过输水管联通，储水罐上设有第一压力传感器，蓄能器的出口处设有第二压力传感器和流量传感器，水泵的集成式伺服电机上设有霍尔传感器；第一压力传感器、第二压力传感器、流量传感器和霍尔传感器均与监测运算装置连接，监测运算装置通过集成式伺服电机控制器与集成式伺服电机连接。通过监测运算蓄能器出口的压力和流量信号，储水罐压力信号和集成式伺服电机转速实现对不同楼层的智能调压控制。克服了现有供水系统缺少对不同高度的楼层变压供水的缺点。

Description

一种二次供水系统监测装置及控制模型

技术领域

本发明属于二次供水技术领域，具体涉及一种二次供水系统监测装置及控制模型。

背景技术

随着高层建筑的不断增加，二次供水设备也将得到普遍的应用。目前我国的二次供水设备主要可分为两大类：第一类是使用水泵直接从水池或者水箱中抽水的供水方式；第二类是不使用水池、水箱，采用直连的供水方式。由于水池水箱在使用的过程中会使水体产生污染和变质，所以市场上以直连供水的方式使用较多。直连供水方式由于取消了水池、水箱，使得其占地面积小，结构简单，在市场上得到了较为广泛的应用。但是，在对高层供水的过程中，由于楼层较高，很多供水设备只能采用恒压供水，而没有做到对不同的楼层实现智能调压供水。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种二次供水系统监测装置及控制模型，通过控制集成式伺服电机的转速，实现对不同楼层的调压供水。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种二次供水系统监测运算装置，包括储水罐、水泵、蓄能器和监测运算装置，所述储水罐、水泵和蓄能器之间依次通过输水管联通，储水罐上设有第一压力传感器，蓄能器的出口处设有第二压力传感器和流量传感器，水泵的集成式伺服电机上设有霍尔传感器；第一压力传感器、第二压力传感器、流量传感器和霍尔传感器均与监测运算装置连接，监测运算装置通过集成式伺服电机控制器与集成式伺服电机连接。

所述水泵采用离心泵、混流泵、轴流泵、旋涡泵中的任一种。

所述蓄能器采用气囊式蓄能器。

一种二次供水系统控制模型，以蓄能器出口补偿压力、蓄能器出口补偿流量、储水罐压力、集成式伺服电机转速作为控制模型的自变量，以集成式伺服电机转速作为因变量；压力传感器和流量传感器以及霍尔传感器把监测的信号经监测运算装置处理，输送到集成式伺服电机控制器当中，通过模型的计算来实现对集成式伺服电机转速的控制。

包括以下执行步骤：

1)监测运算用水楼层高度；

2)数据采集；

3)确定控制模型结构；

4)对控制模型进行初始化；

5)计算，把前期采集处理后的数据样本输入到控制模型当中，进行误差计算和结果输出；

6)权值调整，根据误差精度修正权值，直到控制输出的误差E小于所设定的误差为止；

7)输出。

所述步骤1)中：在流体力学计算过程中，其沿程损失表达为：

式中：Δp为水泵出口到用户端的压力损失，γ为水的重度，λ为沿程阻力系数，l为管道长度，d为管道内径，v_c为水流速

γ＝ρg

式中：Re为雷诺数，v为运动粘度

通过运算得到式：

通过运算得到式：

△p＝bρv^0.25lQ^1.75

式中：

p＝ρgl+Δp

通过运算即可得到用水楼层的高度：

所述步骤2)中：

对样本归一化处理是为了使得控制模型在进行训练时获得全局最优解，需要对采集的数据进行归一化处理：

式中为输入样本，/>为进行归一化处理后的样本。

所述步骤3)中：控制模型的第一层节点为4个，第二层的节点为6个，输出为1个。

所述步骤4)中：误差E取0.001,学习效率η取0.5，训练若干次，随机初始化控制模型的权值。

所述步骤6)中：控制模型的误差为：

第二层的误差为：

第一层的误差为：

第二层到输出的权值调整为：

Δw_jk＝η(d_k-y_k)y_k(1-y_k)y_i

第一层到第二层的权值调整为：

为了保证控制模型在训练的过程中的速度，因此在权值调整的过程中假如动量系数α，故权值调整的迭代公式为：

当计算误差E小于设定误差ε时，即E≤ε,网络进行下一步；反之，则返回第5步，直至满足E≤ε。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：

根据伯努利方程，计算出楼层的用水高度。采用蓄能器对用户端用水的压力和流量进行补充，通过监测运算蓄能器出口的压力和流量信号，储水罐压力信号和集成式伺服电机转速实现对不同楼层的智能调压控制。克服了现有供水系统缺少对不同高度的楼层变压供水的缺点。

附图说明

图1是本发明的原理图；

图2是本发明的控制结构图；

图3是本发明的控制原理框图；

图4是本发明监测运算装置的原理框图；

其中：1为集成式伺服电机，2为水泵，3为蓄能器，4为蓄能器安全阀组，51为第一电动阀，52为第二电动阀，53为第三电动阀，6为第二压力传感器，7为流量传感器，8为霍尔传感器，9为储水罐，10为第一压力传感器，11为集成式伺服电机控制器，12为监测运算装置。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至3所示，一种二次供水系统监测运算装置，包括储水罐9、水泵2、蓄能器3、输水管和监测运算装置12，储水罐9、水泵2和蓄能器3依次与输水管联通，储水罐9上设有第一压力传感器10，蓄能器3的出口处设有第二压力传感器6和流量传感器7，水泵2的集成式伺服电机1上设有霍尔传感器8；第一压力传感器10、第二压力传感器6、流量传感器7和霍尔传感器8均与监测运算装置12连接，监测运算装置12通过集成式伺服电机控制器11与集成式伺服电机1连接。

进一步，水泵2采用离心泵、混流泵、轴流泵、旋涡泵中的任一种。

进一步，蓄能器3优选采用气囊式蓄能器。

进一步，蓄能器3上设有相应的蓄能器安全阀组；储水罐9的进水管上设有第三电动阀53，输水管上设有第一电动阀51和第二电动阀52。第三电动阀53开启，市政管网开始对储水罐9供水。第二电动阀52开启，蓄能器安全阀组4开启，第一电动阀51开启，集成式伺服电机1带动水泵2工作对用户端供水。

当用户端开始用水的时候，短时间内通过蓄能器3来实现对供水系统的压力和流量补偿，此时监测运算装置12检测到的蓄能器3的出口压力和流量的补偿值，根据伯努利方程计算出用水楼层的高度，监测运算装置12经过运算，把信息反馈到集成式伺服电机控制器11，通过调整集成式伺服电机1的转速来实现对不同楼层的智能调压控制。

如图4所示，监测运算装置主要由模数转换器、网络控制器、PLC、数模转换器组成。其中，模数转换器把接收到的传感器模拟信号转化成网络控制器可处理的数字信号；PLC功能是接收网络控制器发出的信号，并发出指令控制各个电动阀启闭以及集成式伺服电机的启停和转速大小；数模转换器把数字信号转换成集成式伺服电机控制器可接收的模拟信号。

在对高层供水的过程中，由于供水高度较高使得管道的长度较长，因此忽略局部损失，以沿程损失作为主要计算对象，并且在计算的过程中不考虑供水管变径的情况。

以蓄能器出口补偿压力、蓄能器出口补偿流量、储水罐压力、集成式伺服电机转速作为控制模型的自变量，以集成式伺服电机转速作为因变量。压力传感器和流量传感器以及霍尔传感器把监测的信号经监测运算装置处理，输送到集成式伺服电机控制器当中，通过模型的计算来实现对集成式伺服电机转速的控制。

包括以下执行步骤：

1)监测运算用水楼层高度。在流体力学计算过程当中，其沿程损失表达为：

式中：Δp为水泵出口到用户端的压力损失，γ为水的重度，λ为沿程阻力系数，l为管道长度，d为管道内径，v_c为水流速。

γ＝ρg (2)

式中：Re为雷诺数，v为运动粘度。

把式(2)、(3)和(4)带入式(1)得到式(5)

式中：Q为泵出口流量

把式(6)带入式(5)得到式(7)

Δp＝bρv^0.25lQ^1.75 (8)

式中：

p＝ρgl+Δp (9)

式中：p为泵出口压力

把式(8)带入式(9)即可得到用水楼层的高度，

由于伺服系统在执行的过程中，输出和输入参数之间的存在着比较复杂的非线性以及强耦合的问题，很难通过建立准确地数学模型来表达，采用多输入的控制模型能够很好的解决这个问题。控制模型的自变量有储水罐压力P₁，蓄能器出口补偿压力P₂，蓄能器出口补偿流量Q′，以及电机转速N，模型的因变量为集成式伺服电机的转速N。

控制模型可以表示为：

y_k(t)＝f(net_k) (11)

在控制模型中，转移函数采用单极性的Sigmoid函数，

其中，k＝1,2,…,l，j＝1,2,…,m，i＝1,2,…,n，w_jk是第二层节点j和输出节点k之间的权值，net_k为运算之后的净输入。

2)数据采集。对样本归一化处理。数据采集之后为了控制模型在进行训练时获得全局最优解，需要对采集的数据进行归一化处理。

式中为输入样本，/>为进行归一化处理后的样本

3)确定控制模型结构。控制模型的输入变量为4个，第二层的变量为6个，控制输出为1个，控制模型的输入X和输出Y分别可用向量表示：

也就是：

式中：x_n为输入，y_l为输出。

4)对控制模型进行初始化。控制误差E取0.001,学习效率η取0.5，训练次数400次，随机初始化控制模型的权值。

5)计算，控制输出。把样本输入到控制模型当中，计算输出，并计算误差E。

6)权值调整。根据误差精度修正控制模型的权值，直到控制输出的误差E小于所设定的误差为止。当输出与期望输出不等的时候，控制模型的误差可用下式表达：

第二层的误差表达式为：

第一层的误差表达式为：

式中，v_ij表示第一层权值，d_k表示第k个期望输出，y_k表示第k个实际输出

由上式得到以下偏导式：

令则得到：

Δw_jk＝η(d_k-y_k)y_k(1-y_k)y_i (21)

为了保证控制模型在训练的过程中的速度，因此在权值调整的过程中假如动量系数α，故权值调整的迭代公式为：

当计算误差E小于设定误差ε时，即E≤ε,网络进行下一步；反之，则返回第5步，直至满足E≤ε；

7)输出。

上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种二次供水系统控制模型，其特征在于：以蓄能器出口补偿压力、蓄能器出口补偿流量、储水罐压力、集成式伺服电机转速作为控制模型的自变量，以集成式伺服电机转速作为因变量；压力传感器和流量传感器以及霍尔传感器把监测的信号经监测运算装置处理，输送到集成式伺服电机控制器当中，通过模型的计算来实现对集成式伺服电机转速的控制；

包括以下执行步骤：

1)监测运算用水楼层高度；

所述步骤1)中：在流体力学计算过程中，其沿程损失表达为：

式中：Δp为水泵出口到用户端的压力损失，γ为水的重度，λ为沿程阻力系数，l为管道长度，d为管道内径，v_c为水流速

γ＝ρg

式中：Re为雷诺数，v为运动粘度

通过运算得到式：

式中：Q为泵出口流量

通过运算得到式：

Δp＝bρv^0.25lQ^1.75

式中：

p＝ρgl+Δp

式中：p为泵出口压力

通过运算即可得到用水楼层的高度：

2)数据采集；

3)确定控制模型结构；

控制模型的输入变量为4个，第二层的变量为6个，控制输出为1个，控制模型的输入X和输出Y分别可用向量表示：

也就是：

式中：x_n为输入，y_l为输出，P₁为储水罐压力，P₂为蓄能器出口补偿压力，Q′为蓄能器出口补偿流量，N为集成式伺服电机的转速；

4)对控制模型进行初始化；

5)计算，把前期采集处理后的数据样本输入到控制模型当中，进行误差E计算和结果输出；

6)权值调整，根据误差精度修正权值，直到控制输出的误差E小于所设定的误差为止；

7)输出。

2.根据权利要求1所述的一种二次供水系统控制模型，其特征在于，所述步骤2)中：对采集的数据进行归一化处理：

式中为输入样本，/>为进行归一化处理后的样本。

3.根据权利要求1所述的一种二次供水系统控制模型，其特征在于，所述步骤3)中：控制模型的第一层节点为4个，第二层的节点为6个，输出为1个。

4.根据权利要求1所述的一种二次供水系统控制模型，其特征在于，所述步骤4)中：误差E取0.001,学习效率η取0.5，训练若干次，随机初始化控制模型的权值。

5.根据权利要求1所述的一种二次供水系统控制模型，其特征在于，所述步骤6)中：控制模型的误差为：

第二层的误差为：

第一层的误差为：

第二层到输出的权值调整为：

Δw_jk＝η(d_k-y_k)y_k(1-y_k)y_i

第一层到第二层的权值调整为：

在权值调整的过程中假如动量系数α，故权值调整的迭代公式为：

当计算误差E小于设定误差ε时，即E≤ε,网络进行下一步；反之，则返回第5步，直至满足E≤ε。