CN115387991A - 一种水泵节能控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水泵节能控制系统及其控制方法，包括流量记录单元，用于在水泵安装后记录水泵在若干时间段内的流量；水量预估单元，用于根据流量记录单元收集的数据利用BP神经网络构建用水评估模型，并根据用水评估模型评估水泵的预计流量；转速评估单元，用于根据水量预估单元计算出的预计流量计算期望转速；转速调节单元，用于根据转速评估单元计算出的期望转速对水泵的电源频率进行调整以使水泵的转速等于期望转速。本发明利用用水评估模型实时评估预计流量，根据预计流量计算期望转速，实现了“所需即所供”，即合理地调节水泵的流量，使水泵始终处于合适的功率工作状态，避免了水泵在低效率区域运转造成的电动机过载，减小了能耗。

Description

一种水泵节能控制系统及其控制方法

技术领域

本发明属于水泵节能技术领域，具体涉及一种水泵节能控制系统及其控制方法。

背景技术

水泵是一种常用的输送装置，同时也是一种能耗设备。发展水泵的变转速以实现水泵的流量调节和节能，是现代技术中亟待解决的问题，变频调速技术因而得以广泛发展。传统的水泵虽然是靠变频器的变频调节转速的，但变频器的频率设定值是由运行人员现场给定的。现在通过软件设计，调节器可以实现很强的控制调节功能，如当负荷变化时，调节器根据负荷的变化再去调节水泵的运行状态，借以降低水泵的能耗，但这种调节方式存在着一定的滞后性，使得一段时间内泵余压较大，增大了能耗。

发明内容

针对以上技术问题，本发明提出了一种水泵节能控制系统及其控制方法。为解决以上技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种水泵节能控制系统，包括如下：

流量记录单元，用于在水泵安装后记录水泵在若干时间段内的流量；

水量预估单元，用于根据流量记录单元收集的数据利用BP神经网络构建用水评估模型，并根据用水评估模型评估水泵的预计流量；

转速评估单元，用于根据水量预估单元计算出的预计流量计算期望转速；

转速调节单元，用于根据转速评估单元计算出的期望转速n_ex对水泵的电源频率进行调整以使水泵的转速等于期望转速。

所述期望转速的计算公式为；

n_ex＝n₀/Q_pr/Q₀；

式中，Q₀表示水泵额定工况下的流量，n₀表示水泵额定工况下的转速，Q_pr表示水量预估单元所输出的预计流量，n_ex表示水泵的期望转速。

所述BP神经网络包括输入层、隐含层和输出层，隐含层的神经元个数的计算公式为：

式中，Y表示隐含层的神经元个数，i表示输入层的神经元个数，j表示输出层的神经元个数，a为[1-10]之间的常数。

所述用水评估模型的评价指标为均方误差mse，其计算公式为：

式中，N表示训练样本总数，且N为正整数，x_n表示训练样本实际值，

表示评估模型输出值。

所述转速调节单元包括方波发生电路、激励电路和频率调节电路，方波发生电路生成的方波信号传输到激励电路的输入端，激励电路对方波信号进行放大稳定处理后对水泵的电源频率进行调整，频率调节电路根据转速评估单元输出的期望转速对方波发生电路所输出的方波的频率进行调节。

所述方波发生电路包括三角波发生器、正弦波发生器和比较器，三角波发生器生成的三角波发送到比较器的第一输入端，正弦波发生器生成的正弦波发送到比较器的第二输入端；所述比较器将三角波和正弦波进行比较生成方波，并将方波传输到激励电路的输入端。

一种水泵节能控制系统的控制方法，包括如下步骤：

S1，利用流量记录单元收集水泵安装后在若干个时间段内的流量数据；

S2，将步骤S1收集到的流量数据输入BP神经网络进行训练，利用水量预估单元构建用水评估模型；

S3，利用步骤S2建立的用水评估模型对水泵的流量进行预测；

S4，转速评估单元利用用水评估模型输出的预计流量计算期望转速；

S5，转速调节单元利用期望转速对水泵的电源频率进行调整使水泵的转速等于期望转速本发明的有益效果：

利用BP神经网络建立用水评估模型，根据用水评估模型实时评估预计流量，根据预计流量计算出期望转速，通过频率调节电路和方波发生电路对水泵的转速进行调整，实现了“所需即所供”，即合理地调节水泵的流量，使水泵始终处于合适的功率工作状态，避免了水泵在低效率区域运转造成的电动机过载，减小了能耗，节省了能量；激励电路对方波信号进一步处理，提高了信号的稳定性，减少了激励信号中的多次谐波，使调节后的信号更为平滑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图。

图2为方波发生电路和激励电路的电路连接示意图。

图3为频率调节电路的电路连接示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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付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。

实施例1：一种水泵节能控制系统，如图1所示，包括流量记录单元、水量预估单元、转速评估单元、转速调节单元，流量记录单元用于在水泵安装后记录水泵在若干时间段内的流量，具体地，可以采用流量传感器检测得到，利用该数据建立时间段和流量相对应的样本集，水量预估单元用于根据流量记录单元收集的数据构建用水评估模型，并根据用水评估模型评估水泵的预计流量；具体地，所述用水评估模型通过BP神经网络训练而成，BP神经网络包括输入层、隐含层和输出层，通过修改网络各层参数权重和阈值实现预测误差的减小，不断重复以上方法，直至网络的输出误差减小至预设精度阈值，或者达到所设置的训练次数。其中，在输入流量记录单元的数据时可以对数据进行归一化，以减少数据并加快网络收敛速度。转速评估单元用于根据水量预估单元计算出的预计流量计算期望转速，公式为n_ex＝n₀*Q_pr/Q₀中，式中，Q₀表示水泵额定工况下的流量，n₀表示水泵额定工况下的转速，Q_pr表示水量预估单元所输出的预计流量，n_ex表示水泵的期望转速。转速调节单元用于根据转速评估单元计算出的期望转速n_ex对水泵的电源频率进行调整以使水泵的转速等于期望转速n_ex，能够不断地提前根据预计流量对应的调节水泵，加快水泵的调节过程，减少水泵的调节时间，进一步实现了水泵能耗的降低。实际应用时，可以根据水泵的应用环境设置不同的时间段划分方式，比如每个工作日和非工作日、白天和晚上、用水高峰期和非高峰期等。

所述BP神经网络包括输入层、隐含层和输出层，隐含层的神经元个数的计算公式为：

式中，Y表示隐含层的神经元个数，i表示输入层的神经元个数，j表示输出层的神经元个数，a为[1-10]之间的常数。

所述用水评估模型的评价指标为均方误差mse，其计算公式为：

式中，N表示训练样本总数，且N为正整数，x_n表示训练样本实际值，

表示评估模型输出值。

具体地，所述转速调节单元包括方波发生电路、激励电路和频率调节电路，方波发生电路生成的方波信号传输到激励电路的输入端，激励电路对方波信号进行放大稳定处理后对水泵的电源频率进行调整，即将方波信号发送到MOS管的栅极，MOS管的源极和漏极用于将电源和驱动水泵工作的电动机连接起来，此为现有技术也即为脉冲调制技术，本实施例不再详述，通过调制后的方波信号控制电动机的转速，进而通过联轴器将转动传输到水泵的转轴，最终控制水泵的流量，频率调节电路根据转速评估单元输出的期望转速对方波发生电路所输出的方波的频率进行调节，进一步使水泵的转速也即电动机的转速与期望转速相一致，在保证用户流量的同时，使水泵处于最合适的运行状态，避免过速，提高了水泵节能的效果。

如图2所示，所述激励电路包括电阻R11，电阻R11的一端与方波发生电路的输出端也即比较器AR3的输出端连接，电阻R11的另一端与三极管Q5的发射极、三极管Q6的发射极连接，三极管Q5的集电极与三极管Q7的基极连接，三极管Q5的基极与三极管Q6的基极、电阻R12的一端、电阻R13的一端、三极管Q9的集电极连接，三极管Q6的集电极与三极管Q8的基极连接，三极管Q8的集电极与三极管Q7的发射极、电阻R14的一端连接，三极管Q7和电阻R12的另一端均与电源VCC连接，电阻R14的另一端与电阻R15的一端、水泵的电源输入端，电阻R15的另一端与电阻R16的另一端与三极管Q9的基极连接，电阻R13的另一端、三极管Q8的发射极、三极管Q9的发射极、电阻R16的另一端均接地。

电阻R15和电阻R16为分压电阻，将电阻R14输出的处理后的方波信号分压后传输到三极管Q9的基极，通过三极管Q9将输出的驱动信号反馈到三极管Q5和三极管Q6，起到对输出的驱动信号进行控制调节的作用，避免信号幅度过大的同时可以起到稳定信号的作用，三极管Q7和三极管Q8交替导通，可以对驱动信号进行放大，提高驱动信号的驱动能力。

如图3所示，所述频率调节电路包括用于接收与水泵相连的电动机转速信号的电阻R21，电动机的转速信号可以通过霍尔转速传感器获得，此为现有技术，电阻R21的一端与电阻R20的一端连接，电阻R21的另一端与电容C5的一端、运放器AR5的同相输入端连接，运放器AR5的反相输入端与电阻R22的一端、电阻R23的一端连接，电阻R22的另一端与电阻R24的一端、运放器AR5的输出端连接，电阻R24的另一端与电阻R25的一端、运放器AR6的反相输入端连接，电阻R25的另一端与电阻R28的一端、运放器AR6的输出端连接，运放器AR6的同相输入端与电阻R26的一端、电阻R27的一端连接，电阻R26的另一端用于接收转速评估单元计算出的期望转速所转换后的模拟电压信号，电阻R28的另一端与运放器AR7的同相输入端连接，运放器AR7的反相输入端与电阻R30的一端、电阻R29的一端连接，运放器AR7的输出端与电阻R29的另一端、二极管D6的负极、电阻R32的一端、二极管D5的负极连接，二极管D5的正极与电阻R31的一端、电阻R31的另一端与三极管Q11的基极连接，三极管Q11的集电极与继电器K2的一端、二极管D8的负极连接，电阻R32的另一端与三极管Q12的基极连接，三极管Q12的集电极与继电器K1的一端、二极管D7的正极连接，二极管D6的正极与电阻R33的一端、电阻R34的一端连接，电阻R33的另一端与运放器AR8的同相输入端连接，电阻R34的另一端与场效应管Q13的栅极连接，运放器AR8的反相输入端与电阻R35的一端、场效应管Q13的漏极连接，电阻R35的另一端与运放器AR8的输出端连接，运放器AR7的输出端和运放器AR8的输出端均与方波发生电路连接，且继电器K1和继电器K2均对方波发生电路进行控制；电阻R20的另一端、电容C5的另一端、电阻R23的另一端、电阻R27的另一端、电阻R30的另一端、继电器K2的另一端、二极管D8的正极、三极管Q12的发射极、场效应管Q13的源极均接地，继电器K1的另一端、二极管D7的负极、三极管Q11的发射极均与电源VCC连接。

电阻R20将接收到的转速信号转换为电压信号，电阻R21和电容C5对转换后的转速信号进行滤波，减少不稳定信号对后续电路的影响，运放器AR5对转换后的转速信号进行放大，放大后的转速信号传输到运放器AR6，运放器AR6通过电阻R26接收转速评估单元计算出的期望转速，具体地，先将转速评估单元计算出的期望转速通过数模转换器转换为模拟电压信号后再传输到电阻R26上即可，运放器AR6输出期望转速和实际转速之间的差值，运放器AR7对差值信号进一步放大，方便对差值信号进行检测，当差值信号为正，也即实际转速小于期望转速时，三极管Q12导通，继电器K1得电，当差值信号为负时，也即实际转速大于期望转速，二极管D6导通，二极管D5导通，三极管Q11导通，继电器K2得电。

如图2所示，所述方波发生电路包括三角波发生器、正弦波发生器和比较器，三角波发生器生成的三角波发送到比较器的第一输入端，正弦波发生器生成的正弦波发送到比较器的第二输入端；所述比较器将三角波和正弦波进行比较生成方波，并将方波传输到激励电路的输入端。三角波发生器所生成的三角波为等腰三角形波形，将该波形与正弦波发生器生成的正弦波进行比较生成方波也称矩形波，且方波的频率与正弦波的频率保持一致，可以使输出波形谐波更少，波形更平滑，进而使得对电源频率的控制效果更好。

所述三角波发生器包括运放器AR1，运放器AR1的同相输入端与电阻R1的一端、电阻R4的一端连接，电阻R1的另一端与电阻R2的一端、运放器AR1的输出端连接，电阻R2的另一端与电容C3的一端、电阻R3的一端、运放器AR2的反相输入端连接，电容C3的另一端和电阻R3的另一端、运放器AR2的输出端、电阻R4的另一端连接，运放器AR1的反相输入端和运放器AR2的同相输入端均接地；所述比较器包括电阻R5，电阻R5的一端与运放器AR2的输出端连接，电阻R5的另一端与比较器AR3的同相输入端、瞬态抑制二极管D3的一端连接，瞬态抑制二极管D3的另一端与比较器AR3的输出端、激励电路的输入端连接，比较器AR3的反相输入端与电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端与正弦波发生器的输出端连接。本实施例中，所有的运放器为双电源运放，电路图中未示出。

所述正弦波发生器包括电容C1，电容C1的一端与电容C2的一端、电阻R8的一端、常开开关K1-3的一端、场效应管Q3的漏极、运放器AR4的同相输入端连接，电阻R8的另一端与常闭开关K1-4的一端连接，常开开关K1-3的另一端与场效应管Q2的源极连接，场效应管Q3的漏极与电阻R18的一端连接，电阻R18的另一端与常开开关K2-1的一端连接，运放器AR4的反相输入端与电阻R10的一端、电阻R9的一端连接，电阻R9的另一端与二极管D1的正极、二极管D2的负极连接，二极管D1的负极与二极管D2的正极、运放器AR4的输出端、电阻R7的一端、常闭开关K1-2的一端连接，电阻R7的另一端与电容C2的另一端、场效应管Q1的漏极、常开开关K2-2的一端连接，常开开关K2-2的另一端与电阻R17的一端连接，电阻R17的另一端与场效应管Q4的源极连接，场效应管Q4的漏极与比较器的第二输入端、常开开关K1-1的一端、常闭开关K1-2的另一端连接，常开开关K1-1的另一端与场效应管Q1的源极连接，场效应管Q1的栅极、场效应管Q4的栅极、场效应管Q2的栅极、场效应管Q3的栅极均与频率调节电路连接，且常闭开关K1-4的另一端、电容C1的另一端、场效应管Q2的漏极、常开开关K2-1的另一端、电阻R10的另一端均接地；所述常开开关K1-1、常闭开关K1-2、常开开关K1-3、常闭开关K1-4、常开开关K2-1、常开开关K2-2均受频率调节电路的控制。

运放器AR4利用其周边电路生成正弦波，当期望转速和实际转速之间的差值为零时，电动机以正常的工作状态工作，当实际转速小于期望转速也即差值为正时，继电器K1得电，常开开关K1-1和常开开关K1-3关闭，同时常闭开关K1-4和常闭开关K1-2打开，场效应管Q1和场效应管Q2同时导通，且场效应管Q1和场效应管Q2为同一型号，放大后的正的差值信号通过运放器AR7的输出端传输到场效应管Q1和场效应管Q2的栅极，差值越大，场效应管Q1和场效应管Q2工作在可变电阻区，两者的漏极和源极之间的阻值越小，因此，正弦波的频率也即方波的频率越大，方波作为电动机的控制脉冲进一步使得电动机的转速增大，当实际转速大于期望转速也即差值为负时，继电器K2得电，常开开关K2-1和常开开关K2-2均关闭，放大后的负的差值信号通过二极管D6传输到电阻R33和电阻R34上，场效应管Q13工作在可变电阻区，随着负的差值信号的绝对值越大，运放器AR8输出的电压信号越小，经运放器AR8输出的处理后的电压信号传输到场效应管Q3和场效应管Q4的栅极，场效应管Q3和场效应管Q4也工作在可变电阻区，两者的漏极和源极之间的阻值越大，因此，正弦波的频率也即方波的频率越小，方波作为电动机的控制脉冲进一步使得电动机的转速减小，实现了水泵流量的合理调节，也即根据所需提供相应的供给，使水泵始终处于合适功率的工作状态，减小了能耗。

实施例2：一种水泵节能控制方法，包括如下步骤：

S1，利用流量记录单元收集水泵安装后在若干个时间段内的流量数据；

S2，将步骤S1收集到的流量数据输入BP神经网络进行训练，利用水量预估单元构建用水评估模型；

S3，利用步骤S2建立的用水评估模型对水泵的流量进行在线预测；

S4，转速评估单元利用用水评估模型输出的预计流量计算期望转速；

S5，转速调节单元利用期望转速对水泵的电源频率进行调整使水泵的转速等于期望转速。

本实施例中的调节方法同实施例1，不再赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种水泵节能控制系统，其特征在于，包括：

流量记录单元，用于在水泵安装后记录水泵在若干时间段内的流量；

水量预估单元，用于根据流量记录单元收集的数据利用BP神经网络构建用水评估模型，并根据用水评估模型评估水泵的预计流量；

转速评估单元，用于根据水量预估单元计算出的预计流量计算期望转速；

转速调节单元，用于根据转速评估单元计算出的期望转速n_ex对水泵的电源频率进行调整以使水泵的转速等于期望转速。

2.根据权利要求1所述的水泵节能控制系统，其特征在于，所述期望转速的计算公式为；

n_ex＝n₀*Q_pr/Q₀；

式中，Q₀表示水泵额定工况下的流量，n₀表示水泵额定工况下的转速，Q_pr表示水量预估单元所输出的预计流量，n_ex表示水泵的期望转速。

3.根据权利要求1所述的水泵节能控制系统，其特征在于，所述BP神经网络包括输入层、隐含层和输出层，隐含层的神经元个数的计算公式为：

式中，Y表示隐含层的神经元个数，i表示输入层的神经元个数，j表示输出层的神经元个数，a为[1-10]之间的常数。

4.根据权利要求3所述的水泵节能控制系统，其特征在于，所述用水评估模型的评价指标为均方误差mse，其计算公式为：

式中，N表示训练样本总数，且N为正整数，x_n表示训练样本实际值，

表示评估模型输出值。

5.根据权利要求1所述的水泵节能控制系统，其特征在于，所述转速调节单元包括方波发生电路、激励电路和频率调节电路，方波发生电路生成的方波信号传输到激励电路的输入端，激励电路对方波信号进行放大稳定处理后对水泵的电源频率进行调整，频率调节电路根据转速评估单元输出的期望转速对方波发生电路所输出的方波的频率进行调节。

6.根据权利要求1所述的水泵节能控制系统，其特征在于，所述方波发生电路包括三角波发生器、正弦波发生器和比较器，三角波发生器生成的三角波发送到比较器的第一输入端，正弦波发生器生成的正弦波发送到比较器的第二输入端；所述比较器将三角波和正弦波进行比较生成方波，并将方波传输到激励电路的输入端。

7.一种水泵节能控制系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，利用流量记录单元收集水泵安装后在若干个时间段内的流量数据；

S2，将步骤S1收集到的流量数据输入BP神经网络进行训练，利用水量预估单元构建用水评估模型；

S3，利用步骤S2建立的用水评估模型对水泵的流量进行预测；

S4，转速评估单元利用用水评估模型输出的预计流量计算期望转速；

S5，转速调节单元利用期望转速对水泵的电源频率进行调整使水泵的转速等于期望转速。

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