用于使用变动等效系统特性曲线、即自适应控制曲线的泵控制的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于控制泵的操作的技术；并且更具体而言，本发 明涉及用于控制例如用于家用和商用的加热或者冷却水系统的泵的 速度的方法和装置。

背景技术

关于用于家用和商用的加热或者冷却水系统的可变速度泵控 制的当前技术基于与系统差动压强相对恒定压强设置点有关的比例 积分微分(PID)控制算法。一些其它控制参数也可以包括流速、功 率等。以下在包括图1a和1b的图1中示意地示出典型水加热或者 冷却液体循环系统。以下在图2中示意地示出用于平衡式系统的对 应系统曲线和控制曲线。当前在泵控制系统中使用的恒定设置点控 制方法很简单并且已经多年成功应用于冷却和加热供水应用。

然而泵控制业界近来已经指出，由于压强点设置的比用以满足 当时请求的流量而实际需要的实际系统压强高得多，所以用以通过 使用这一方法来运行泵而需要的很大量的操作能量被浪费，这由以 上图2中的阴影区域指示。

近来，已经大量和显著地解决了关于节能和环保的问题。更多 关注已经投向所有的控制应用，包括用于家用和商用的加热或者冷 却水系统的泵控制。为了减少能量消耗和操作成本，可能需要对当 前泵控制方法进行一些创新。

发明内容

根据一些实施例，本发明可以采用比如泵控制器的装置的形 式，该装置的特性在于：至少一个处理器；至少一个包括计算机程 序代码的存储器；至少一个存储器和计算机程序代码被配置用于与 至少一个处理器一起使该装置至少：

对信号发送做出响应，信号发送包含关于在泵送系统中 泵送的流体的瞬时压强和流速的信息，

使用自适应移动平均滤波至少部分基于瞬时压强和流速 获得变动等效系统特性曲线(本文也称为自适应控制曲线)， 以及

根据自适应控制曲线建立用于系统过程变量的控制设置 点，以通过例如比例积分微分(PID)控制的泵控制器获得所 需泵速度。

本发明的实施例也可以包括以下特征中的一个或者多个特征： 该装置还可以包括：至少一个输入处理器，被配置用于使该装置至 少处理包括信号发送的变量信号，该信号发送包含关于在泵送系统 中泵送的流体的瞬时压强和流速的信息；或者至少一个输出处理器， 被配置用于使该装置至少根据自适应控制曲线至少部分基于用于系 统过程变量的控制设置点提供泵电机驱动速度信号；或者其组合。 自适应控制曲线SAMA_t可以例如至少部分基于系统流量等式：

${\mathrm{SAMA}}_t=\mathrm{AMAF}(Q_t/\sqrt{\Delta P_t}),$

其中函数AMAF是自适应移动平均滤波(AMAF)，并且参数Q和ΔP 分别是系统流速和差动压强。至少一个存储器和计算机程序代码可 以例如被配置用于与至少一个处理器一起使该装置至少关于瞬时流 速或者移动平均流速根据自适应控制曲线获得最优控制压强设置点 为：

SP_t＝MA(Q_t)/SAMA_t，

其中函数MA是移动平均滤波(MA)。自适应移动平均滤波函数可 以例如包括分别使用移动平均滤波函数(MA)或者自适应移动平均 滤波函数以获得变动等效系统曲线或者自适应控制曲线以及现在已 知或者将来以后开发的其它类型或者种类的滤波函数。至少一个存 储器和计算机程序代码也可以例如被配置用于与至少一个处理器一 起使该装置至少使用具有根据自适应控制曲线获得的瞬时系统压强 相对设置点的PID控制来获得泵速度。至少一个存储器和计算机程 序代码也可以例如被配置用于与至少一个处理器一起使该装置至少 在自适应控制曲线的开始处包括阈值以适应泵初始速度。该装置可 以例如形成如下PID控制器的部分，该PID控制器包括对在这样的 加热和冷却水系统以及现在已知或者将来以后开发的其它类型或者 种类的流体处理系统中的使用。举例而言，该装置可以例如形成初 级控制系统或者次级控制系统的部分。用于获得自适应控制曲线的 信号发送可以例如包括输入处理控制信号，输入处理控制信号包含 关于系统或者区段压强或者差动压强以及系统或者区段流速、或者 包括作为功率或者转矩的其它衍生信号的信息。

该装置也可以例如采用控制器或者泵控制器的形式，该控制器 或者泵控制器的特征在于至少一个信号处理器和至少一个包括计算 机程序代码的存储器设备，其中至少一个存储器设备和计算机程序 代码可以例如被配置用于与至少一个处理器一起使控制器至少实施 以上阐述的装置的功能。控制器的实施例可以例如包括本文描述的 特征中的一个或者多个特征。控制器也可以例如形成包括泵的泵送 系统或者布置的部分。

本发明也可以例如采用一种方法的形式，该方法的特性在于用 于控制泵的步骤，这些步骤包括：对信号发送做出响应，信号发送 包含关于在泵送系统中泵送的流体的瞬时压强和流速的信息；使用 自适应移动平均滤波至少部分基于瞬时压强和流速获得自适应控制 曲线；以及根据自适应控制曲线建立用于系统过程变量的控制设置 点，以通过包括例如比例积分微分(PID)控制的泵控制器获得所需 泵速度。该方法的实施例可以例如包括用于实施本文描述的特征中 的一个或者多个特征的其它步骤。

本发明也可以例如采用一种计算机程序产品的形式，该计算机 程序产品具有计算机可读介质，计算机可读介质具有在其中嵌入的 计算机可执行代码，计算机可执行代码用于在形成这样的泵控制器 的部分的信号发送处理设备上运行时实施该方法。举例而言，计算 机程序代码可以例如采用CD、软盘、记忆棒、记忆卡以及现在已知 或者将来以后开发的可以在这样的计算机可读介质上存储这样的计 算机可执行代码的其它类型或者种类的存储器设备的形式。

本发明的一个优点是它可以有助于总体减少能量消耗和操作 成本。

附图说明

附图包括未按比例绘制的以下图：

图1包括图1a和1b，其中图1a是本领域已知的初级可变速度 控制泵系统的图；并且其中图1b是本领域也已知的初级可变速度控 制泵系统的图。

图2是本领域已知的等效系统特性曲线和控制曲线的图形。

图3是具有如下装置的泵系统的框图，该装置被配置用于实施 本发明的一些实施例的功能。

图3a是根据本发明的一些实施例的液柱压头(foot head)相 对流量(gpm)的新控制设置点曲线的图形。

图4是根据本发明的一些实施例的液柱压头相对流量(gpm) 的系统特性变化的图形。

图5是根据本发明的一些实施例的液柱压头相对流量(gpm) 的自适应控制曲线。

图6是根据本发明的一些实施例的用于液柱压头相对流量 (gpm)的2D系统分布特性的自适应控制曲线的图形，其中差动压 强是关于流速百分比x和时间t的流速Q(x，t)的函数。

具体实施方式

图3以装置10(比如泵控制器)的形式示出本发明，该装置 的特性在于至少一个处理器12和至少一个包括计算机程序代码的存 储器，其中至少一个存储器14和计算机程序代码被配置用于与至少 一个处理器12一起使该装置至少：对如下信号发送做出响应，该信 号包含关于在泵送系统中泵送的流体的瞬时压强和流速的信息；使 用自适应移动平均滤波至少部分基于瞬时压强和流速获得本文也称 为自适应控制曲线的变动等效系统特性曲线；并且根据自适应控制 曲线建立用于的系统过程变量的控制设置点，以通过泵控制器、比 如PID控制获得所需泵速度。如图所示，装置10形成泵系统5的部 分，该泵系统也具有泵和一个或者多个其它与泵有关的模块16。举 例而言，泵系统5可以采用与本文描述的一致的家用和商用的加热 或者冷却水系统的形式。本发明的范围旨在于包括现在已知和以后 将来开发的家用和商用的加热或者冷却水系统。另外，相对于使用 泵控制器(比如PID控制或者控制器)来实施本发明，通过示例描 述本发明。PID控制或者控制器在本领域中已知，并且本发明的范围 未旨在于限于其任何特定类型或者种类，该类型或者种类包括现在 已知和以后将来开发的PID控制或者控制器技术。基于本文的公开 内容，本领域技术人员将能够使用PID控制或者控制器而无不过度 的实验实施实施与当前相关的功能。另外，本发明的范围旨在于包 括使用现在已知或者以后将来开发的其它类型或者种类的控制或者 控制器来实施本发明。

一个或者多个其它与泵有关的模块16也可以包括：至少一个 输入处理器18，被配置用于使装置10至少接收包括如下信号发送的 过程变量信号，该信号发送包含关于在泵送系统5中泵送的流体的 瞬时压强和流速的信息；或者至少一个输出处理器20，被配置用于 使装置10至少根据自适应控制曲线至少部分基于用于系统过程变量 的控制设置点提供泵电机驱动速度信号；或者至少一个输入处理器 18和至少一个输出处理器20的组合。

实际上，根据本发明的装置10被配置用于提供一种用于借助 设置点曲线而不是恒定设置点控制泵的新技术或者方案，该设置点 曲线作为与图3a中示意地所示的一致的用于家用和商用的加热或者 冷却水系统的泵控制的控制曲线和装置，在该图中展示了新控制设 置点曲线方案，按照该新控制设置点曲线方案，节省的液体循环功 率在流速Q等于dp*Q。利用这一新方案，用于控制曲线的函数显著 地更接近设计的系统曲线，并且可以减少在泵控制上浪费的操作能 量(图2中的阴影区域)。举例而言，如果在根据本发明的控制技 术之下操作泵，则可以节省操作能量的5％至10％。

本文提出的根据本发明的新控制设置点曲线方法可以用于根 据任何系统特性实现基本上最优控制以减少操作成本并且节省能 量。然而，与已知恒定设置点情况相似，它在性质上不是可自调整， 而系统特性可以由于控制阀位置改变而随时间变化以满足在设置点 的流速要求，这与图4中所示系统特性一致。为了使它良好工作， 装置10可以被配置用于选择覆盖系统的最大可能的操作场景的控制 曲线。

本发明也提供一种可以用来追踪变动系统特性并且相应地建 立控制设置点以满足流速要求的控制技术。如果可实现，则泵以自 校准方式相对于变动系统特性在自适应设置点曲线的控制之下。系 统操作成本可以被降低并且可以相应地节省能量。

用于家用和商用的加热或者冷却水系统的泵控制的设置点曲 线和装置的一个优选版本可以包括与图5中所示自适应控制曲线一 致的通过使用自适应滤波技术来追踪瞬时变动系统特性并且相应地 建立控制设置点的自适应控制曲线和技术。如图所示，可以用自校 准方式基于系统流量等式通过自适应移动平均滤波从瞬时压强和流 速信号获得自适应控制曲线SAMA_t为：

${\mathrm{SAMA}}_t=\mathrm{AMAF}(\sqrt{\Delta P_t}/Q_t),---\left(1\right)$

其中函数AMAF是自适应移动平均滤波函数，并且Q和ΔP分别是瞬 时系统流速和差动压强。

可以关于瞬时流速或者移动平均流速从自适应控制曲线获得 最优控制压强设置点为：

SP_t＝MA(Q_t)/SAMA_t+b，    (2)

其中函数MA是移动平均滤波函数(MA)，并且参数b是小的恒定 压强偏移。注意函数AMAF也可以分别替换为移动平均滤波函数 (MA)或者现在已知或者将来以后开发的任何其它相似自适应滤波 器。本发明的范围未旨在于限于该类型或者种类的滤波函数。见图5， 该图示出根据本发明的用于使用自适应滤波技术的自适应控制曲线 和技术。根据本发明的用于民用和商用的加热或者冷却水系统的泵 控制的自适应控制曲线和技术也可以包括在控制曲线的开始处的阈 值以适应泵最小速度。

对于具有图6中所示任意分布特性的系统，该分布特性的差动 压强P(x，t)是流速百分比x和时间t的流速Q(x，t)的函数，然后可以改 写自适应控制曲线和设置点为：

${\mathrm{SAMA}}_{x,t}=\mathrm{AMAF}(\sqrt{\Delta P_{x,t}}/Q_{x,t}),---\left(3\right)$

以及

SP_x，t＝MA(Q_x，t)*SAMA_x，t+b。(4)

这里，函数AMAF是分别关于瞬时系统流速百分比x和时间t 的2D自适应移动平均滤波。

如先前描述的那样，以上呈现的自适应控制曲线的等式可以用 来追踪变动系统特性并且相应地建立控制设置点。然后可以关于推 导的设置点和瞬时系统压强从PID控制获得泵的速度。

一般而言，对于仅用自动控制循环器配置的系统，在操作中无 显著系统特性变化。换而言之，系统在性质上几乎持续。系统特性 改变仅在关停或者接通区段或者子系统时由于系统中的管道分布摩 擦损耗而出现。

然而对于具有一些自动控制阀的系统，系统特性一般在性质上 动态。系统特性可以在系统中的那些控制阀中的任何控制阀相对于 任何温度改变而改变它的位置时变化。变化也可以例如在大楼中的 任何子系统或者区段关停或者接通持续某一时间段时发生。

由于自适应移动平均滤波用来减去自适应控制曲线，所以控制 曲线变化对任何瞬时系统特性改变的灵敏度可以与信号采样时间和 滤波长度密切有关。滤波长度和采样时间越长，自适应控制曲线对 任何瞬时系统改变的响应就越小和越慢。为了满足具体请求的流速， 自适应控制曲线因此可以将自身置于在恒定设置点控制曲线与管线 分布摩擦损耗曲线之间的某处，这与图5或者6中所示自适应控制 曲线一致，其中恒定设置点可以用作上限。

理想地，获得的自适应控制曲线可以在系统曲线周围处于它的 平衡位置并且对任何瞬时或者短期系统特性改变有点不灵敏，虽然 它仍然能够跟踪长期系统特性改变以主要满足系统中的流速要求。 重要和必要的是具有对自适应控制曲线的缓慢和少量响应要求以便 与常规恒定设置点方式相比节省能量。自适应控制曲线对任何瞬时 系统特性改变的响应越小和越慢，并且在恒定设置点控制曲线与自 适应控制曲线之间的差值越大，可以节省能量就越多。

本文提出的自适应控制曲线不仅可以用于初级控制系统中而 且可以用于次级控制系统中。

本文提到的用于家用和商用的加热或者冷却水系统的区段、子 系统或者系统可以包括：具有自动和人工控制的控制阀；具有自动 和人工控制的循环器；控制阀以及以上提到的循环器；具有控制阀 和循环器组合的多个区段。

用于获得自适应设置点曲线的输入处理控制信号可以例如包 括：系统或者区段压强、或者差动压强以及系统或者区段流速信号、 或者某一其它衍生信号，比如泵速度、功率、转矩等。

本文提到的用于家用和商用的加热或者冷却水系统的泵包括： 单个泵；一组并联联动泵；一组串联联动泵；并联和串联联动泵的 组合。

通过按照根据本发明的一些实施例提出的控制设置点曲线，可 以通过按照与加头泵系统的叠加原理直接使用与当前控制系统上的 分级和去分级泵装置相同的分级和去分级泵装置。

在更低分级和去分级速度运行多个泵也可以节省更多能量。一 个示例是设置分级速度约为它的全速的65％而去分级速度约为 55％，如果运行2个泵而不是1个泵，则可以节省5％至20％的液体 循环能量。

一般而言，根据本发明的自适应控制设置点曲线和技术可以用 于根据任何动态系统获得最优控制设置点。可以优化泵控制与液体 循环系统一起在操作中的性能。也可以减少操作成本并且节省能量。

装置10

举例而言，可以使用硬件、软件、固件或者其组合来实施装置 10的功能。在典型软件实现方式中，装置10将包括一个或者多个基 于微处理器的架构，这些架构例如具有至少一个处理器或者微处理 器(如元件12)、随机存取存储器(RAM)和/或只读存储器(ROM) (如元件14)、输入/输出设备和控制、以及连接它们的数据和地址 总线、和/或至少一个输入处理器18和至少一个输出处理器20。本 领域技术人员将能够对这样的基于微控制器(微处理器)的实现方 式进行编程以执行本文描述的功能而无过度的实验。本发明的范围 未旨在于限于任何使用现在已知或者将来以后开发的技术的具体实 现方式。本发明的范围旨在于包括实施处理器12、14、16、18的功 能为单独处理器或者处理器模块、为分离处理器或者处理器模块及 其某一组合。

本发明的范围

应当理解，除非本文有明示，否则关于本文的具体实施例描述 的特征、特性、替换形式或者修改中的任何特征、特性、替换形式 或者修改也可以与本文描述的任何其它实施例一起应用、使用或者 结合。本文的附图也未按比例绘制。

虽然相对于离心泵通过示例描述本发明，但是本发明的范围旨 在于包括相对于现在已知或者将来以后开发的其它类型或者种类的 泵使用本发明。

虽然已经关于本发明的示例实施例描述和图示本发明，但是在 未脱离本发明的精神实质和范围的前提下，可以在其中和对其进行 前述和各种其它添加以及省略。