專利名稱：一種基于優(yōu)化自抗擾控制的管網(wǎng)疊壓供水系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及二次供水系統(tǒng)以及自動(dòng)控制領(lǐng)域，特別涉及一種基于優(yōu)化自抗擾控制的管網(wǎng)疊 壓供水系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著科技的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，給排水設(shè)備經(jīng)歷了從傳統(tǒng)的水泵加壓屋頂水箱到現(xiàn)在比較常 見(jiàn)的變頻恒壓供水系統(tǒng)，20世紀(jì)末又出現(xiàn)了一種新型的供水設(shè)備一管網(wǎng)疊壓供水系統(tǒng)。該系統(tǒng) 是在變頻恒壓供水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它不僅繼承了變頻恒壓供水的優(yōu)點(diǎn)，而且充分利 用了管網(wǎng)余壓，減少了能源浪費(fèi)；此外取消了水池水箱等大容積設(shè)備，既減少了占地面積和安 裝難度，也有效避免了水質(zhì)污染等問(wèn)題。但是疊壓供水系統(tǒng)在解決原有問(wèn)題的同時(shí)也帶來(lái)了自 身的一些問(wèn)題，特別是疊壓供水系統(tǒng)是將加壓設(shè)備串接在市政管網(wǎng)上的，如果控制不當(dāng)將直接 影響市政管網(wǎng)的壓力，從而影響其他用戶用水，這就對(duì)疊壓供水系統(tǒng)的控制提出了更高的要求。 申請(qǐng)?zhí)枮?00810057135.6的專利申請(qǐng)"雙控智能型疊壓供水系統(tǒng)"提出對(duì)疊壓供水系統(tǒng)采用壓 力傳感器和液位傳感器雙信號(hào)控制的方法和將進(jìn)水口設(shè)在穩(wěn)流補(bǔ)償器底端的方法來(lái)增加系統(tǒng)的 安全性和減小管網(wǎng)壓力的干擾，專利號(hào)為200820090546.0的專利申請(qǐng)"全自動(dòng)雙變頻疊壓供水 設(shè)備"也提出了采用變頻器協(xié)調(diào)工作來(lái)增加系統(tǒng)的可靠性。然而，目前關(guān)于管網(wǎng)疊壓供水系統(tǒng) 控制算法的研究還很少，需要進(jìn)行深入研究以保證供水安全，提高供水質(zhì)量。
供水系統(tǒng)本身是一個(gè)多變量、非線性、多耦合的系統(tǒng)，其精確數(shù)學(xué)模型一般很難確定，而疊 壓供水系統(tǒng)由于疊加了管網(wǎng)壓力，出口壓力受到市政管網(wǎng)余壓和用戶流量的雙重影響，與傳統(tǒng) 變頻恒壓供水系統(tǒng)相比相當(dāng)于增加了一個(gè)變量的作用，使得系統(tǒng)運(yùn)行的變化范圍更大，更容易 受到外界的干擾。目前，二次供水系統(tǒng)多采用傳統(tǒng)的PID控制，雖然能夠保證供水壓力靜態(tài)偏差 基本達(dá)標(biāo)，滿足用戶用水的流量需求，卻不能顧及調(diào)速過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，供水動(dòng)態(tài)品質(zhì)較差。 如果調(diào)節(jié)不當(dāng)，則會(huì)使供水過(guò)程中壓力振蕩幅值過(guò)大，引發(fā)供水管路振蕩、水流喘振等多種不 良狀態(tài)，影響供水穩(wěn)定性及用戶的用水舒適性。
自抗擾控制技術(shù)是一種非線性數(shù)字控制技術(shù)，它繼承了 PID基于誤差控制而不是模型控制
3的優(yōu)點(diǎn)，因此不要求被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，且對(duì)干擾具有很好的抑制作用，也很容易使用。然 而，該控制技術(shù)在跟蹤微分器和擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器部分的運(yùn)算比較復(fù)雜，占用了很多運(yùn)算時(shí)間直 接影響到了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制，更主要的是目前被使用在二次供水系統(tǒng)中的控制設(shè)備還比較簡(jiǎn)單， 無(wú)法適應(yīng)特別復(fù)雜的控制算法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，而提供一種基于優(yōu)化自抗擾控制的管 網(wǎng)疊壓供水系統(tǒng)，以解決現(xiàn)存的管網(wǎng)疊壓供水系統(tǒng)控制問(wèn)題，從而使該系統(tǒng)響應(yīng)速度、抗干擾 性、魯棒性等性能得到改善，并且提高供水的安全性和用戶用水的舒適性。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是 一種基于優(yōu)化自抗擾控制的管網(wǎng)疊壓供水系統(tǒng)， 該系統(tǒng)包括變頻器、異步電動(dòng)機(jī)、水泵、壓力傳感器以及基于自抗擾算法的數(shù)字控制單元，其 特征在于所述的基于自抗擾算法的數(shù)字控制單元將接收到的壓力傳感器輸入的壓力值，經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換和內(nèi)部自抗擾程序處理后，以模擬電壓信號(hào)的形式輸出到變頻器；變頻器輸出端接異步電 動(dòng)機(jī)的輸入端，異步電動(dòng)機(jī)根據(jù)變頻器給定的電壓和頻率信號(hào)進(jìn)行調(diào)速，從而對(duì)水泵出口壓力 進(jìn)行調(diào)節(jié)。
上述基于自抗擾算法的數(shù)字控制單元由過(guò)渡過(guò)程、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器、非線性組合和動(dòng)態(tài)擾 動(dòng)補(bǔ)償四部分組成。
上述基于自抗擾算法的數(shù)字控制單元的自抗擾控制器程序的工作步驟為-①系統(tǒng)初始化；②檢測(cè)各點(diǎn)壓力值；③判斷有無(wú)故障發(fā)生；④有故障時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的事故處理 并報(bào)警；(D系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，將壓力值經(jīng)AZD轉(zhuǎn)換后利用自抗擾控制算法進(jìn)行處理；⑥將得到 的控制量以模擬信號(hào)形式輸出；⑦檢測(cè)有無(wú)停止信號(hào)；⑧若無(wú)停止信號(hào)，繼續(xù)檢測(cè)各點(diǎn)壓力值， 循環(huán)上述程序；⑨若有停止信號(hào)，則程序停止。
本發(fā)明的有益效果
1. 自抗擾算法的數(shù)字控制單元通過(guò)安排過(guò)渡過(guò)程，解決了傳統(tǒng)PID快速和超調(diào)之間的矛盾，使 得控制器中的各參數(shù)選擇范圍更大，參數(shù)整定起來(lái)更加方便。
2. 采用自抗擾算法的數(shù)字控制單元后，疊壓供水系統(tǒng)控制效果得到了很大改善，如響應(yīng)速度更 快，抗干擾能力更強(qiáng)，魯棒性更好等。
3. 通過(guò)優(yōu)化自抗擾算法的數(shù)字控制單元的過(guò)渡過(guò)程，使得該算法在控制性能沒(méi)有太大的影響的情況下，對(duì)于目標(biāo)參考值無(wú)變化且不易受干擾的一類控制對(duì)象的計(jì)算更加簡(jiǎn)化，應(yīng)用起來(lái)更 加容易。
4.該控制單元實(shí)時(shí)對(duì)疊壓供水系統(tǒng)各點(diǎn)壓力值進(jìn)行檢測(cè)， 一旦發(fā)生事故可及時(shí)報(bào)警，提高了系 統(tǒng)運(yùn)行的安全性，防止其對(duì)市政管網(wǎng)壓力產(chǎn)生影響。


圖1基于自抗擾算法的數(shù)字控制單元的管網(wǎng)疊壓供水系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖 圖2系統(tǒng)軟件流程圖
圖3管網(wǎng)疊壓供水系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)水泵揚(yáng)程變化曲線 圖4管網(wǎng)疊壓系統(tǒng)受干擾時(shí)水泵揚(yáng)程變化曲線
具體實(shí)施例方式
工作原理由于供水系統(tǒng)采用恒壓供水模式，壓力參考值是在安裝設(shè)備時(shí)就直接設(shè)定在控 制器內(nèi)部的，正常運(yùn)行時(shí)參考值為常數(shù)，其導(dǎo)數(shù)為零?；谝陨显颍瑢⒍A自抗擾控制器中 快速跟蹤微分器的函數(shù)換成如下函數(shù)
v0--cos(—f) "r ,,、
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通過(guò)這種方法，自抗擾控制器解決了傳統(tǒng)pn^控制器快lf禾f超調(diào)的矛盾，對(duì)設(shè)備硬件的要
求大大降低，控制器在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)也可以節(jié)省更多計(jì)算時(shí)間以達(dá)到更高的控制精度。
實(shí)施例如圖1，該系統(tǒng)主要由變頻器(1)、異步電動(dòng)機(jī)(2)、水泵(3)、壓力傳感器(8) 以及基于自抗擾算法的數(shù)字控制單元(6)組成。壓力傳感器(8)用于探測(cè)管網(wǎng)疊壓供水系統(tǒng) 各個(gè)部分的壓力值；基于自抗擾算法的數(shù)字控制單元(6)將接收到的壓力傳感器(8)輸入的 壓力值，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換和內(nèi)部自抗擾程序處理后，以模擬電壓信號(hào)的形式輸出到變頻器(1);變 頻器(1)輸出端接異步電動(dòng)機(jī)(2)的輸入端，異步電動(dòng)機(jī)(2)根據(jù)變頻器(1)給定的電壓 和頻率信號(hào)進(jìn)行調(diào)速，從而對(duì)水泵(3)出口壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得其與設(shè)定的參考值一致。
基于自抗擾算法的數(shù)字控制單元(6)由過(guò)渡過(guò)程(4)、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(7)、非線性組合 (5)和動(dòng)態(tài)擾動(dòng)補(bǔ)償四部分組成。其主要是數(shù)字控制器內(nèi)部的程序，它將水泵(3)出口壓力 和參考值作為輸入，最終將控制信號(hào)以模擬電壓的形式輸出到變頻器(1)。本發(fā)明針對(duì)管網(wǎng)疊壓供水系統(tǒng)這一特殊對(duì)象，將自抗擾算法的數(shù)字控制單元中的快速跟蹤微分器簡(jiǎn)化成一簡(jiǎn)單的 函數(shù)(如式l、式2所示)，該函數(shù)僅在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)起作用，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)可以大大節(jié)省控制 器運(yùn)算的時(shí)間。對(duì)水泵(3)的出口壓力值，自抗擾算法的數(shù)字控制單元(6)利用擴(kuò)張狀態(tài)觀 測(cè)器(7)進(jìn)行觀測(cè)。不僅可以估計(jì)出系統(tǒng)狀態(tài)變量及其各階微分信號(hào)，而且可以將系統(tǒng)未知模 型部分和外界干擾一起作為系統(tǒng)總的擾動(dòng)估計(jì)出來(lái)。非線性組合(5)部分主要是將安排的過(guò)渡 過(guò)程(4)和擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(7)部分的信號(hào)相減后得到的誤差及其微分信號(hào)利用非線性函數(shù) 進(jìn)行組合，以得到更好的控制效果。動(dòng)態(tài)擾動(dòng)補(bǔ)償部分是將非線性組合得到的控制信號(hào)利用擴(kuò) 張狀態(tài)觀測(cè)器觀測(cè)到的擴(kuò)張狀態(tài)變量進(jìn)行修正，得到最終的控制信號(hào)。如圖3所示，上述所說(shuō)的軟件的工作步驟是①系統(tǒng)初始化；②掃描各點(diǎn)壓力值；③判斷有 無(wú)故障發(fā)生；④有故障時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的事故處理并報(bào)警；⑤系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，將壓力值經(jīng)A/D轉(zhuǎn) 換后利用自抗擾控制算法進(jìn)行處理；⑥將得到的控制量以模擬信號(hào)形式輸出；⑦檢測(cè)有無(wú)停止 信號(hào)；⑧若無(wú)停止信號(hào)，繼續(xù)檢測(cè)各點(diǎn)壓力值，循環(huán)上述程序；⑨若有停止信號(hào)，則程序停止。根據(jù)本實(shí)施例，使得自抗擾控制算法在不改變其優(yōu)越的控制特性的情況下，得以在管網(wǎng)疊 壓供水系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的基于自抗擾算法的數(shù)字控制單元對(duì)硬件的要求并不很高， 所以對(duì)于一般的二次供水系統(tǒng)硬件上無(wú)需進(jìn)行太大改動(dòng)，只需將對(duì)軟件進(jìn)行重新編程。應(yīng)用本 發(fā)明不僅可以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，抗干擾性和魯棒性，而且提高了系統(tǒng)的安全性和用戶用水 的舒適性。采用優(yōu)化后的自抗擾控制算法的實(shí)施效果如圖4和圖5所示，為了進(jìn)行對(duì)比，圖中給出了 采用傳統(tǒng)PID控制算法的水泵揚(yáng)程變化曲線。從圖中可以看出，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，采用自抗擾控 制算法，水泵的揚(yáng)程能更快速、更準(zhǔn)確的響應(yīng)給定揚(yáng)程；在受到外界干擾時(shí)，采用自抗擾控制 算法，水泵的揚(yáng)程變化更小，供水質(zhì)量更好。這里以本發(fā)明的實(shí)施例為中心展開(kāi)了詳細(xì)的說(shuō)明，所描述的方式或某些特性的具體體現(xiàn)， 應(yīng)當(dāng)理解為本說(shuō)明書(shū)僅僅是通過(guò)給出實(shí)施例的方式來(lái)描述本發(fā)明，實(shí)際上在組成、構(gòu)造和使用 的某些細(xì)節(jié)上會(huì)有所變化，包括軟件的實(shí)現(xiàn)方式，部件的組合和組配，這些變形和應(yīng)用都應(yīng)該 屬于本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種基于優(yōu)化自抗擾控制的管網(wǎng)疊壓供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括變頻器、異步電動(dòng)機(jī)、水泵、壓力傳感器以及基于自抗擾算法的數(shù)字控制單元，其特征在于所述的基于自抗擾算法的數(shù)字控制單元將接收到的壓力傳感器輸入的壓力值，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換和內(nèi)部自抗擾程序處理后，以模擬電壓信號(hào)的形式輸出到變頻器；變頻器輸出端接異步電動(dòng)機(jī)的輸入端，異步電動(dòng)機(jī)根據(jù)變頻器給定的電壓和頻率信號(hào)進(jìn)行調(diào)速，從而對(duì)水泵出口壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種基于優(yōu)化自抗擾控制的管網(wǎng)疊壓供水系統(tǒng)，其特征在于 所述的基于自抗擾算法的數(shù)字控制單元由過(guò)渡過(guò)程、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器、非線性組合和動(dòng)態(tài)擾 動(dòng)補(bǔ)償四部分組成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種基于優(yōu)化自抗擾控制的管網(wǎng)疊壓供水系統(tǒng)，其特征在于 所述的基于自抗擾算法的數(shù)字控制單元的自抗擾控制器程序的工作步驟為①系統(tǒng)初始化；②檢測(cè)各點(diǎn)壓力值；③判斷有無(wú)故障發(fā)生；④有故障時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的事故 處理并報(bào)警；⑤系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，將壓力值經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后利用自抗擾控制算法進(jìn)行處理；◎ 將得到的控制量以模擬信號(hào)形式輸出；⑦檢測(cè)有無(wú)停止信號(hào)；⑧若無(wú)停止信號(hào)，繼續(xù)檢測(cè)各 點(diǎn)壓力值，循環(huán)上述程序；⑨若有停止信號(hào)，則程序停止。
全文摘要
本發(fā)明涉及二次供水系統(tǒng)以及自動(dòng)控制領(lǐng)域，特別涉及一種基于優(yōu)化自抗擾控制的管網(wǎng)疊壓供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括變頻器、異步電動(dòng)機(jī)、水泵、壓力傳感器以及基于自抗擾算法的數(shù)字控制單元，基于自抗擾算法的數(shù)字控制單元將接收到的壓力傳感器輸入的壓力值，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換和內(nèi)部自抗擾程序處理后，以模擬電壓信號(hào)的形式輸出到變頻器；變頻器輸出端接異步電動(dòng)機(jī)的輸入端，異步電動(dòng)機(jī)根據(jù)變頻器給定的電壓和頻率信號(hào)進(jìn)行調(diào)速，從而對(duì)水泵出口壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。其有益效果為解決現(xiàn)存的管網(wǎng)疊壓供水系統(tǒng)控制問(wèn)題，從而使該系統(tǒng)響應(yīng)速度、抗干擾性、魯棒性等性能得到改善，并且提高供水的安全性和用戶用水的舒適性。
文檔編號(hào)E03B11/00GK101654920SQ200910069889
公開(kāi)日2010年2月24日 申請(qǐng)日期2009年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月27日
發(fā)明者柴秀強(qiáng), 馬恩成 申請(qǐng)人:天津甘泉集團(tuán)有限公司