CN116382064A - 用于控制离心泵的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用液压控制器(4)控制离心泵(2)的压力(p_Act)或扬程高度(H)的方法和控制电子设备，所述液压控制器接收实际值(p_Act)与额定值(p_ref)之间的控制偏差并输出控制变量(X)，并且位于液压控制器(4)下游的转速控制器(6)根据控制变量(X)输出转速值(n)来设置离心泵(2)，由此计算控制变量(X)的根并且由转速控制器(6)将转速值(n)确定为控制变量(X)的根的函数。本发明还涉及一种包括这种控制电子设备的离心泵。

Description

用于控制离心泵的方法

技术领域

本发明涉及一种使用液压控制器来控制离心泵的压力或扬程高度的方法，该液压控制器接收实际值与额定值的控制偏差并输出控制变量，并且位于液压控制器下游的转速控制器根据控制变量生成转速值用于在离心泵处进行调整。

背景技术

离心泵具有非线性特性。其集成到负载变化的液压管网中，例如中央供暖系统、冷却系统或带水龙头的饮用水供应，从而形成时变非线性系统。这使得很难设计标准控制器(例如PID控制器)来控制离心泵的压力或扬程，而该控制器在所有工作点始终具有相同的动态响应性。通常，控制器的反应一方面取决于离心泵的转速，另一方面取决于系统特性或管网的当前液压阻力。液压阻力随时间而变化，这取决于由离心泵提供传热介质或冷却介质的用户需求。

这种非线性特性要么被接受，要么通过考虑相似规律被用于设计控制器，例如在欧洲专利申请EP 3851678 A1中就是这种情况。必须针对不经过原点的系统特征(管网抛物线)调整亲和定律，以补偿大地高(geodetic elevation)。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于控制离心泵的方法，该方法不需要确定系统特性并且也不需要确定可能存在的大地高，并且无需确定压力或扬程高度的额定值或至少没有明显的超调。此外，本发明的目的还包括提供执行该方法的控制电子装置和具有这种控制电子装置的离心泵。

这些目的通过具有如下特征的方法：计算所述控制变量的根并且由转速控制器根据所述控制变量的根确定转速值；具有如下特征的控制电子装置：根计算单元在信号传递方面设置在液压控制器和转速控制器之间用于计算所述控制变量的根，控制变量的根被馈送到所述转速控制器以确定转速值；以及根据本发明的离心泵来实现。有利的改进方案在从属权利要求中说明并且在下面解释。

根据本发明，提议改进根据通用的方法，从而计算液压控制器输出的控制变量的根，并且转速控制器将转速值确定为控制变量的根的函数。

以相应的方式，提出了用于控制离心泵的压力或扬程高度的控制电子装置，该控制电子装置包括：液压控制器，实际值与额定值的偏差被提供给该液压控制器，并且该液压控制器输出控制变量；转速控制器，位于液压控制器下游，并且根据控制变量生成转速值用于调节离心泵；以及根计算单元，在信号传递方面设置在液压控制器和转速控制器之间，用于计算控制变量的根，所述控制变量的根被馈送到转速控制器以确定转速值。

本发明的核心思想是将传统的液压控制线性化，这完全基于泵曲线(泵特征曲线)来完成。由此，对设备特征曲线的识别也不需要大地高。通过使用控制变量的平方根作为转速控制器的默认值，泵特性曲线中的压力或扬程高度分量H₀＝a·n²(零输送扬程)，与体积Q无关但与转速n的平方相关：

H(Q,n)＝a·n²-b·Q·n-c·Q²

并且因此由离心泵和连接的管网组成的非线性控制系统的至少一部分被线性化。一方面，压力或扬程高度调节的这种线性化导致在所有工作点几乎相同的动态行为。另一方面，仅对与体积流量无关的部分进行补偿的事实导致在动态特性中压力或扬程高度的超调较小。

根据本发明的控制方法既适用于控制离心泵出口处的绝对压力，也适用于控制离心泵入口和出口之间的压差。应该注意的是，离心泵中的压力和扬程高度是等效变量，因为彼此成比例。因此，压力控制始终是对扬程高度的控制，反之亦然。如果在下文中仅提及压力或仅提及扬程高度，则相应的另一变量扬程高度或压力(绝对压力或压差)总是应该被想到或应该被理解。

附图说明

下面参照附图更详细地解释本发明。其中：

图1示出用于饮用水供应中泵的压力控制的抽象控制技术信号流程图。

图2示出根据图1的具体的信号流程图。

图3示出带有线性液压控制的信号流程图。

图4示出经过改进的线性液压控制的信号流程图。

图5示出扬程高度和转速随时间变化的图表。

图6示出扬程高度与体积流量的关系的HQ图。

具体实施方式

图1示出了控制结构1的简化的信号流程图，该控制结构1包括离心泵2、管网3(在此举例来说，管网3是饮用水供应管网3，其中由泵2输送)以及液压控制器4和转速控制器6，其被设置用于共同控制泵2的压力。为此向液压控制器4提供压力的额定值p_ref。压力的实际值p_Act在泵2出口处的测量点19处进行检测，并通过反馈支路10负反馈到液压控制器4的输入端，从而液压控制器4接收到误差偏差p_ref-p_Act。除了测量，压力p_Act也可以使用观测模型来估计。液压控制器4输出控制变量X，其被馈送到转速控制器6的输入端。例如，该控制变量可以是扭矩。根据控制变量X，转速控制器6在其输出端输出转速n，离心泵2的叶轮以该转速n被驱动，由此产生压差或扬程高度H。因此，就信号而言，转速n是输入变量，而扬程高度H是泵2的输出变量。

在用于饮用水供应的管网3的情况下，在其中有一个供应连接端25，新鲜的饮用水通过该供应接头以一种也称为供应压力的预压力馈入到管网3中。泵2是增压泵或增压系统的泵。这种预压力会产生一个静态扬程高度H_static，其会增加泵的压力或泵2扬程高度H。在控制工程结构1中，这由减法器26表示，尽管该预压力使用负号以获得压力相加。在另一个管网中，例如在钻孔泵的情况下，可能存在大地高H_geo，其需要相应的大地测量扬程高度H_static以便产生大于零的体积流量Q。在这种情况下，大地测量扬程高度H_static则为正，从而在减法器26中正确地从泵扬程高度H中减去。因此，图1中的受控系统模型是普遍有效的。在封闭管网中，例如在加热或冷却系统中发现的那些，大地高因此克服所需的静态扬程高度H_static为零。在这种情况下，抛物线系统特性K_A开始于HQ图的原点。

泵2出口处的总压力，在此用总扬程高度H-H_static表示，在信号上构成管网3的输入变量。泵2和管网3共同构成控制结构1的受控系统。根据管网3的液压阻力R_hyd，基于总压力产生管网3中的体积流量Q，从而形成管网3的输出变量，但同时也通过反馈路径9形成泵2的输入变量，因为其扬程高度H取决于体积流量Q。

描述由离心泵2和管网3组成的系统(受控系统)的微分方程为：

等式1：

在这个方程中，第一部分描述了泵特性H(Q,n)，第二部分描述了系统特性K_A，其中离心泵的工作点位于两条特性曲线的交点处。其中：

H为离心泵扬程高度，

Q是离心泵的流量，

n是离心泵的转速，

R_hyd管网的液压阻力

L_hyd是管网的液压电感

H_geo是管网的大地高，

a、b、c分别是描述泵特性H(Q,n)的泵参数。这些可能因泵而异。

转速控制器6可以是传统的PI控制器。PI控制器也可用于液压控制器4，具有用于比例和积分分量的相应放大系数K_P和K_I。因为受控系统2、3由于与体积流量无关的扬程高度分量H₀＝a n²(零输送扬程)中转速n的二次相关性而为非线性，因此很难使用控制器设计或基于标准方法的控制器参数化。经典控制器还会根据泵2的工作点[Q,n]表现出不同的行为。换句话说，系统行为会根据工作点而变化。

然而，可以采取措施来减少这种依赖性并以简单的方式如下所示线性化系统2、3。这使得可以分析地确定转速控制器的控制器参数，并且在所确定的压力p_Act的无延迟反馈的情况下，如图中所假设的，甚至获得对应于转速控制器6的动态(时间常数)的动态管理和干扰抑制行为。

为此，首先考虑图2所示的液压系统1，即在反馈支路10中没有延迟，其具体化了图1中的控制结构1。此处示出控制回路通常用于压力或差压控制。泵2由信号模型具体化，即实现泵特性

H(n，Q)＝a_h·n²-b_h·Q·n-c_h·Q²

此外，管网3由具有系统特性K_A的信号模型来具体化。

非线性是由平方器11、12、13中的平方函数(平方函数1、平方函数2、平方函数3)和乘法器14中的乘积函数(乘积函数1)产生的，其中在这个控制回路中仅考虑非线性，该非线性由第三平方器13中的平方函数(平方函数3)引起，并且从液压控制器5的控制变量X(s)到与体积流量无关的扬程高度分量H₀＝a(n)²的传递函数G_nl(s)：

这种非线性影响控制回路的时间响应和静态放大。这意味着如果可以找到传递函数G_nl(s)的线性替代系统G(s)，则该替代系统G(s)必须具有与工作点相关的静态增益V和时间常数τ，如下所示：

可以通过在液压控制器4和转速控制器6之间插入根项来校正非线性。通过该校正，增益为V＝a_h。转速控制器的时间特性不再对应于具有时间常数τ_sc的PT1元件的特性，转速控制器可以被视为所述元件，但可以找到一个与时间特性接近的等效时间常数τ_e，例如

通过根计算单元5形式的根项的线性化在图3中实现，其在信号传递方面设置在液压控制器4和转速控制器6之间，使得首先计算液压控制器4的控制变量X的根，并将结果作为修改后的新控制变量传递给转速控制器6。

线性化防止在额定值改变时扬程高度超调，如图5所示。图5显示了在扬程高度的设定值从第一值H₁突然变为较高的第二值H₂的情况下，根据本发明的线性化和没有线性化的扬程高度和转速随时间变化的曲线。与此同时，图6显示了HQ图中的情况。

起点是工作点A，在该工作点A，泵2以第一扬程高度H₁和转速n₁运行，为此绘制相应的泵特性曲线H(Q,n₁)。工作点A位于该泵特性曲线H(Q,n₁)和系统特性曲线K_A的交点处。如果扬程高度有一个额定值跳跃到更高的值H₂，根据常规控制为实现这个新扬程高度，进行转速跳跃到一个新的更高的转速n₂(图5中的实线)，为此对应的第二泵特性曲线H(Q,n₂)也显示在图6中。在恒定体积流量的情况下，扬程高度H迅速上升到工作点B处的H_max值，参见图5和6。然后扬程高度H沿着第二泵特性曲线H(Q,n₂)逐渐减小直到在操作点C，达到新的额定扬程高度H₂。图5中的虚线描述了所描述的扬程高度随时间的变化。

这种超调通过根据图3的控制结构的根据本发明的线性化或应用来避免。再次从操作点A开始，扬程高度从第一个扬程高度H₁直接跳转到新的目标扬程高度H₂。尚未达到新工作点C所需的转速n₂。为此目的，转速n逐渐增加，确保几乎是线性地，直到转速n₂，如图5中的虚线所示。因此，扬程高度没有超调。

作为进一步的改进，可以在液压控制器4的下游引入具有放大系数1/a_h的放大器24，其补偿泵参数a_h。这在图4中实现。因此，放大器24的增益对应于所谓的系统增益a_h的倒数，即放大系数a_h，描述了泵2(系统)的泵特性曲线H(Q,n)中与体积流量无关的分量H₀＝a_h·n₂的放大率。具有放大系数1/a_h的放大器24将液压控制器4准归一化为具有系统放大率a_h的参考泵，系统放大a_h是特征变量并且因泵而异。这种归一化的优点是对液压控制器4的参数化，更准确地说，控制器4的比例分量的放大系数K_P和控制器4的积分分量的放大系数K_I对于所有泵2可以保持相同，而特定于泵的调节液压控制器仅可能与放大器24的放大系数1/a_h相关。这对于传统的控制器设计是不可能的，因为必须为相应的泵2单独设计放大系数K_P和K_I。

如果在反馈支路10中存在明显延迟，则可以通过延迟元件或前向支路10a中的延迟来考虑这种影响，例如在转速控制器6之前或之后，其中信号处理中的延迟更准确地说，控制变量X或转速n的处理引入了比反馈支路10中的时间常数显着更高的时间常数，即液压控制器4的输入处实际压力值p_Act的反馈延迟的时间常数。这样，反馈可以再次被视为几乎没有延迟。然而，控制的动态性降低。

图中使用的参数a_h和b_h直接来自泵特性曲线(等式1)，因此可以从泵2的测量数据或设计数据中得出。参数a_h对应泵参数a，参数b_h对应泵参数b，参数c_h对应泵参数c。

根据本发明的液压调节器4，更准确地说是压力调节器，既可以用于压差调节，也可以用于绝对压力调节。无需区分“恒定压差”(dp-c)和“恒定绝对压力”(p-c)控制模式，因为在这两种情况下，压力不足或太小都会通过由泵产生的压差进行补偿。

应当理解，上述描述是为了说明的目的以示例的方式给出的，并不以任何方式限制本发明的范围。表示为“可以”、“示例性”、“优选”、“可选”、“理想”、“有利”、“如果需要”、“合适”等的本发明的特征被认为是纯粹可选的，并且也不限制仅由权利要求限定的保护范围。只要在上述描述中提及的元件、组件、工艺步骤、数值或信息具有已知的、显而易见的或可预见的等同方案，这些等同方案也包括在本发明中。本发明还包括对示例性实施例的任何改变、变更或修改，只要符合本发明的基本思想，无论改变、变更或修改是导致实施例改进还是退化，都在本发明的。

尽管本发明的上述描述提到了与一个或多个特定示例性实施例相关的大量物理、非物理或程序特征，但至少在它们这样做的范围内不一定需要存在更多特征的范围内，这些特征也可以脱离具体实施例而单独使用。相反，至少在这些特征不相互排斥的范围内或导致技术不兼容范围内的情况下，关于一个或多个特定示例性实施例提及的这些特征可以根据需要彼此组合，并且可以与示出或未示出的示例性实施例的其他公开或未公开的特征组合。

Claims (7)

1.一种使用液压控制器(4)来控制离心泵(2)的压力p_Act或扬程高度H的方法，所述液压控制器(4)接收实际值p_Act与额定值p_ref的控制偏差并输出控制变量X，并且位于所述液压控制器(4)下游的转速控制器(6)根据所述控制变量X输出用于设置所述离心泵(2)的转速值n，其特征在于，包括：计算所述控制变量X的根，并且由所述转速控制器(6)根据所述控制变量X的根确定所述转速值n。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，信号处理在所述转速控制器(6)的上游或下游被以时间常数延迟，所述时间常数显著大于将所述实际值p_Act反馈到在所述液压控制器(4)的输入的延迟的时间常数。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将所述控制变量X乘以放大因数的倒数，所述放大因数描述所述离心泵(2)的泵特性曲线中与体积流量无关的分量的放大率a_h。

4.一种用于控制离心泵(2)的压力p_Act或扬程高度的控制电子装置，包括：液压控制器(5)，接收实际值p_Act与额定值p_ref的控制偏差并且输出控制变量X；以及转速控制器(6)，位于所述液压控制器(5)下游并且根据所述控制变量X输出用于设置离心泵(2)的转速值n，其特征在于，根计算单元(5)在信号传递方面设置在所述液压控制器(5)和转速控制器(6)之间，用于计算所述控制变量X的根，所述控制变量X的根被馈送到所述转速控制器(6)以确定转速值n。

5.根据权利要求4所述的控制电子装置，其特征在于，在所述转速控制器(6)的上游或下游设置延迟元件，用于以时间常数延迟信号处理，所述时间常数显著大于所述实际值反馈p_Act到所述液压调节器(4)的输入的延迟的时间常数。

6.根据权利要求4或5所述的控制电子装置，其特征在于，放大器(24)在信号传递方面设置在所述液压控制器(5)和所述转速控制器(6)之间，其增益对应于放大系数的倒数，所述放大系数描述了所述离心泵(2)的泵特性曲线中与体积流量无关的分量的放大率a_h。

7.一种离心泵(2)，包括根据权利要求4至6中的一项所述的控制电子装置。

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