СПОСОБ ДИНАМИЧЕСКОГО ЛИНЕЙНОГО УПРАВЛЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ НАСОСОМ С ПЕРЕМЕННОЙ СКОРОСТЬЮ
DYNAMIC LINEAR CONTROL METHOD AND PUMP CONTROL DEVICE WITH VARIABLE SPEED

Ссылка на родственную заявку
По настоящей заявке испрашивается приоритет согласно предварительной заявке на патент США №61/576,737, поданной 16 декабря 2011 года и полностью включенной в настоящий документ путем ссылки.
Предпосылки создания изобретения
1. Область техники
Настоящее изобретение относится к технологии управления работой насоса и, в частности, к способу и устройству для управления скоростью насоса, например, для бытовых и коммерческих систем водяного отопления или охлаждения.
2. Уровень техники
На фиг. 1(a) показана известная вторичная жидкостная система нагревания и охлаждения с управлением насосом с переменной скоростью, а на фиг. 1(b) показана известная система с подкачивающим водяным насосом. В последнее время резко усилился интерес к проблемам экономии энергии и защиты окружающей среды в отношении таких насосных систем. Все больше внимания уделяется приложениям по управлению жидкостными насосами, включая средства управления насосами для бытовых и коммерческих насосных систем водяного отопления и охлаждения или систем циркуляции, систем с подкачивающим водяным насосом и т.д., например систем, показанных на фиг. 1(а) и 1(b), при этом их параметры могут быть динамическими и по природе неизвестными. Для снижения потребления энергии и эксплуатационных затрат были предложены некоторые известные подходы адаптивного управления.
*
*
Например, в заявке на патент США №12/982,286, поданной 30 декабря 2010 года (файл F-B&G-1001//911-19.001) заявителем настоящей заявки и полностью включенной в настоящий документ путем ссылки, раскрыта схема адаптивного управления жидкостными насосными системами отопления и охлаждения, а также системами с подкачивающим водяным насосом, которые соответствуют системам, схематически показанным на фиг. 1(а) и 1(b). На фиг. 1(с) показаны графики различных функций, построенные с использованием известных уравнений характеристик систем, включая, например, кривую для насоса, мгновенную кривую системы, кривую постоянного управления, кривую эквивалентной системы (расчетную), кривую адаптивного управления и кривую потерь распределения. Контрольная точка Р давления в отношении необходимой скорости Q потока может быть вычислена и/или определена из уравнения , где кривая  адаптивного управления может быть получена из уравнения потока с использованием фильтра скользящего среднего. При таком адаптивном подходе кривая адаптивного управления для получения контрольной точки давления расположена гораздо ближе к кривой эквивалентной системы, представляющей минимальное давление, необходимое для сохранения требуемой скорости потока, в соответствии с фиг. 1(с). Вследствие этого с использованием этого адаптивного подхода можно сэкономить энергию насосной системы.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение обеспечивает усовершенствование схемы адаптивного управления, раскрытой в вышеуказанной заявке на патент США №12/982,286.
Согласно некоторым вариантам выполнения настоящего изобретения, предлагается устройство, такое как контроллер насоса, имеющий сигнальный процессор, выполненный с возможностью по меньшей мере следующего:
приема сигнализации, содержащей информацию о кривой линейного управления контрольной точки, по меньшей мере частично основанной на кривой адаптивного управления контрольной точки, связанной с жидкостью, нагнетаемой насосом в насосной системе, и определения контрольной точки управления по меньшей мере частично на основе принятой сигнализации.
Варианты выполнения настоящего изобретения могут также включать один или более следующих признаков:
Сигнальный процессор может быть выполнен с возможностью предоставления управляющего сигнала, содержащего информацию для управления насосом, по меньшей мере частично на основе упомянутой определенной контрольной точки управления.
Кривую линейного управления контрольной точки получают, в том числе с помощью сигнального процессора, из кривой адаптивного управления контрольной точки в отношении потока и давления в системе.
Сигнальный процессор может быть выполнен с возможностью определения кривой линейного управления контрольной точки по меньшей мере частично на основе следующего уравнения:
0
где Р - контрольная точка постоянного давления,
*
(t)
Q - требуемая скорость потока,
max
C - максимальная скорость потока в системе,
- максимальная адаптивная скорость потока и
0
b - порог давления.
Сигнальный процессор может быть выполнен с возможностью определения скорости потока в системе как суммы скоростей потока каждой отдельной зоны по меньшей мере частично на основе следующего уравнения:
где  - скорость потока в зоне i,
n - общее количество зон.
Сигнальный процессор может быть выполнен с возможностью определения скорости потока в системе, если используются параметры управления температурой в зоне, по меньшей мере частично на основе следующего уравнения:
где  - контрольная точка температуры для зоны i,
i,max
Q - максимальная скорость потока для получения максимальной температуры,
i,max
T - целевая температура для зоны i,
outdoor
T - наружная температура и
α - компенсирующий коэффициент.
*
Сигнальный процессор может быть выполнен с возможностью определения требуемой скорости Q(t) потока по меньшей мере частично на основе следующего уравнения:
0
0
где r=b/Р,
ν
C(t) - мгновенная кривая системы,
- кривая адаптивного управления контрольной точки,
- адаптивный максимальный поток,
- соответствующая максимальная кривая для системы и
0
Р - контрольная точка постоянного давления.
Сигнальный процессор выполнен с возможностью определения контрольной точки давления на основе кривой адаптивного управления, непосредственно основанной, по меньшей мере частично, на следующем уравнении:
*
Сигнальный процессор может быть выполнен с возможностью определения контрольной точки управления, полученной из кривой адаптивного управления контрольной точки, по меньшей мере частично на основе требуемой скорости Q потока.
Устройство может также содержать по меньшей мере одну память, содержащую компьютерный программный код, при этом указанные по меньшей мере одна память и компьютерный программный код посредством указанного по меньшей мере одного процессора обеспечивают выполнение устройством по меньшей мере следующего:
приема сигнализации и
определения контрольной точки управления по меньшей мере частично на основе принятой сигнализации.
Устройство может содержать устройство управления насосом или контроллер насоса, включая средства пропорционально-интегрально-дифференциального управления, имеющие сигнальный процессор, или может быть выполнен в виде указанных устройств.
Согласно некоторым вариантам выполнения настоящего изобретения, предлагается способ, включающий: прием сигнальным процессором сигнализации, содержащей информацию о кривой линейного управления контрольной точки, по меньшей мере частично основанной на кривой адаптивного управления контрольной точки, связанной с жидкостью, нагнетаемой насосом в насосной системе, и определение сигнальным процессором контрольной точки управления по меньшей мере частично на основе принятой сигнализации.
Настоящее изобретение также может быть выполнено в виде, например, компьютерного программного продукта, содержащего считываемый компьютером носитель со встроенным исполняемым компьютером кодом для реализации указанного способа, например, когда этот код исполняется в сигнальном процессоре, который является частью такого контроллера насоса. Например, компьютерный программный продукт может быть выполнен в виде компакт-диска, дискеты, модуля памяти, карты памяти, а также других типов или видов запоминающих устройств, которые могут хранить такой исполняемый на компьютере код на таком считываемым компьютером носителе, известном в настоящее время или разработанном в будущем.
Одно из преимуществ настоящего изобретения состоит в том, что оно может способствовать снижению общего потребления энергии и эксплуатационных затрат в устройствах, включая, например, вторичную жидкостную систему нагревания и охлаждения с управлением насосом с переменной скоростью работы, показанную на фиг. 1(а), и систему с подкачивающим насосом, показанную на фиг. 1(b).
Краткое описание чертежей
Чертежи выполнены не в масштабе.
*
*
Фиг. 1 включает фиг. 1а, 1b и 1с, при этом на фиг. 1а показана схема известной вторичной жидкостной системы нагревания и охлаждения с управлением насосом с переменной скоростью работы; на фиг. 1b показана схема известной системы с подкачивающим водяным насосом, и на фиг. 1с показан график потока (галлоны в минуту) в отношении напора у основания для реализации технологии адаптивного управления на основе кривой адаптивного управления, в которой сэкономленная мощность, связанная с жидкостью, составляет dP*Q при скорости Q потока и согласуется с известной.
На фиг. 2 показана схема устройства согласно некоторым вариантам выполнения настоящего изобретения.
На фиг. 3 показана зависимость давления в системе в отношении потока (галлоны в минуту) для реализации технологии адаптивного управления на основе кривой линейного управления контрольной точки, полученной из кривых адаптивного и постоянного управления согласно некоторым вариантам выполнения настоящего изобретения.
*
На фиг. 4 показана зависимость давления в системе в отношении потока (галлоны в минуту) для реализации технологии линейного адаптивного управления на основе определения требуемого потока Q согласно некоторым вариантам выполнения настоящего изобретения.
Подробное описание изобретения
На фиг. 2 показано настоящее изобретение в виде устройства 10, такого как контроллер насоса, содержащий сигнальный процессор 12, выполненный с возможностью по меньшей мере приема сигнализации, содержащей информацию о кривой линейного управления контрольной точки, по меньшей мере частично основанной на кривой адаптивного управления контрольной точки, связанной с жидкостью, нагнетаемой насосом в насосной системе, и определения контрольной точки управления по меньшей мере частично на основе принятой сигнализации. Сигнальный процессор 12 может предоставлять управляющий сигнал, содержащий информацию для управления насосом, по меньшей мере частично на основе упомянутой определенной контрольной точки управления. Устройство 10 может содержать или представлять собой устройство управления насосом или контроллер насоса со средствами пропорционально-интегрально-дифференциального управления, имеющими сигнальный процессор 12.
На фиг. 3 показаны графики различных функций с использованием известных уравнений для кривых системы, включая, например, кривую для насоса, кривую постоянного управления, кривую динамического линейного управления, кривую эквивалентной системы, кривую адаптивного управления и кривую потерь распределения. В адаптивном подходе согласно фиг. 3 контрольная точка управления получена по меньшей мере частично на основе кривой линейного управления контрольной точки, полученной из кривой адаптивного управления и кривой постоянного управления.
*
Согласно некоторым вариантам выполнения настоящего изобретения, при работе кривая динамического линейного управления может быть получена из кривой адаптивного управления в отношении потока и давления в системе в соответствии с фиг. 3. При использовании этого адаптивного подхода контрольную точку Р давления можно легко получить. Наиболее важно то, что это делает средство адаптивного управления насосом доступным для системной конфигурации без необходимости иметь в наличии сигналы скорости потока для всех зон.
Например, если следовать линейному адаптивному подходу, кривая управления контрольной точки в отношении требуемой скорости потока в любой момент f времени может быть записана в виде:
0
где Р - контрольная точка постоянного давления,
max
Q - максимальная скорость потока в системе,
- максимальная адаптивная скорость потока и
0
b - порог давления и
*
- кривая адаптивного управления, соответствующая приведенной в указанной заявке на патент США №12/982286.  может быть получено напрямую посредством фильтра скользящего среднего или детектора скользящего пикового значения, предпочтительно примененных к мгновенным характеристикам системы. Здесь адаптивная технология может использоваться для отслеживания любой варьируемой или неизвестной характеристики системы и установки контрольной точки управления, соответственно, когда скорость Q(t) потока известна. В этом случае скорость потока в системе может быть выражена как сумма скоростей потоков каждой отдельной зоны приблизительно в виде
где  - скорость потока в зоне i,
n - общее количество зон.
Если используются параметры управления температурой в зоне, уравнение (2) может быть переписано в виде:
где  - контрольная точка температуры для зоны i,
i,max
Q - максимальная скорость потока для получения максимальной температуры,
i,max
T - целевая температура для зоны i,
outdoor
T - наружная температура и
α - компенсирующий коэффициент,
может быть контрольной точкой температуры воды, вытекающей из нагревательной или охлаждающей спирали теплообменника, или контрольной точкой температуры термостата для сигналов циркуляционного насоса или управляющего клапана, соответственно.
Согласно некоторым вариантам выполнения настоящего изобретения, кривые управления и средства управления для жидкостных насосных систем, описанные в настоящем документе, могут включать использование кривой динамического линейного управления контрольной точки, такой как показанная на фиг. 3 и выраженная уравнением (1) в отношении потока и давления в системе, соответственно. Здесь скорость потока в системе в любое время t может быть выражена в виде суммы скоростей потока в зонах (уравнение (2)) или температур в зонах (уравнение (3)), которые необходимы и известны.
*
На фиг. 4 показаны графики различных функций, построенные с использованием известных уравнений для кривых системы, включая, например, кривую насоса, кривую постоянного управления, кривую линейного адаптивного управления, мгновенную кривую системы, кривую эквивалентной системы, кривую адаптивного управления и кривую потерь распределения. В адаптивном подходе, согласно фиг. 4, вычисляют или определяют требуемую скорость Q потока.
*
*
Во многих жидкостных системах и приложениях сигналы скорости потока в зоне или сигналы температуры в зоне, входящие в уравнения (2) и (3), не всегда доступны, или их получение связано с большими затратами. Для таких случаев предусмотрена альтернативная версия средств линейного адаптивного управления, которая соответствует схеме, показанной на фиг. 4. Согласно некоторым вариантам выполнения настоящего изобретения, в этом адаптивном подходе требуемая скорость Q потока в системе может быть вычислена и/или определена на основе пересечения мгновенной кривой системы и кривой линейного адаптивного управления, в то время как контрольная точка давления может затем быть получена из кривой адаптивного управления на основе требуемой скорости Q потока, соответственно.
*
Если следовать этому подходу, требуемая скорость Q потока может быть вычислена следующим образом:
а контрольная точка давления может быть получена из кривой адаптивного управления непосредственно с помощью выражения:
0
ν
где r=b/P0, C(t) - мгновенная кривая системы,  - адаптивный максимальный поток, и  - соответствующая максимальная кривая системы. В данном случае кривая адаптивного управления может быть получена с помощью фильтра скользящего среднего или детектора скользящего пикового значения по информативному уравнению потока. Предпочтительно, чтобы  или  были получены с использованием детектора скользящего пикового значения. Уравнение (5) совместно с уравнением (4) может использоваться для установки контрольной точки для управления давлением в любой жидкостной системе, в которой скорости потока в зонах регулируются, главным образом, управляющими клапанами, поскольку характеристики системы используются для получения требуемой скорости потока.
ν
Для получения мгновенной кривой C(t) системы с использованием уравнения потока должны быть известны как мгновенное давление, так и скорость в системе. Во многих практических приложениях скорость потока в системе не всегда может быть доступной. Поэтому для вычисления скорости потока с линейным приближением альтернативно может быть использован один из рабочих параметров двигателя, таких как частота вращения, вращающий момент, оценки мощности или тока. Может использоваться также бессенсорный инвертор, при его наличии, который выдает скорость потока и давление в системе по частоте вращения двигателя и мощности на основе данных калибровки насоса и системы.
Для применения моделей контрольной точки для управления давлением, предлагаемых в настоящем изобретении, в системе управления должно иметься некоторое количество датчиков для контроля и сигнализации, и могут понадобиться технология передачи данных и проводные технологии. Среди них оптимальными и лучшими решениями являются технологии беспроводной передачи сигналов от датчика или технологии бессерсорного управления насосом.
В действительности, согласно некоторым вариантам выполнения настоящего изобретения, кривые управления и средства управления жидкостными насосными системами, рассмотренные здесь, могут включать использование кривых динамического линейного управления контрольной точки, показанных на фиг. 4, и их соответствующих выражений (4) и (5), соответственно. Здесь требуемая скорость потока в системе может быть вычислена и/или определена с использованием уравнений (4) и (5), если сигналы скорости потока в зоне или температуры в зоне недоступны. В случаях, когда скорость потока в системе недоступна, для вычисления скорости потока с линейным приближением альтернативно может быть использован один из рабочих параметров двигателя, таких как частота вращения, вращающий момент, оценки мощности или тока. Может использоваться также бессенсорный инвертор, при его наличии, который выдает скорость потока и давление в системе по частоте вращения двигателя и мощности на основе данных калибровки насоса и системы.
В общем, при использовании средств линейного адаптивного управления согласно настоящему изобретению энергию, затрачиваемую на работу насоса, можно значительно сэкономить. Предлагаемые способы просты, легко реализуемы и могут быть легко интегрированы в любую жидкостную систему с управлением насосом, содержащую системы управления нагреванием и охлаждением с замкнутым контуром, а также системы с подкачивающим водяным насосом с открытым контуром.
Устройство 10
Функциональность устройства 10 может быть реализована, например, с использованием аппаратного обеспечения, программного обеспечения, встроенного программного обеспечения или их комбинации. В типичной программной реализации устройство 10 содержит одну или более микропроцессорных архитектур, например по меньшей мере один сигнальный процессор или микропроцессор, аналогичный элементу 12. Специалист способен запрограммировать такое устройство на основе микроконтроллера (или микропроцессора) для выполнения функций, описанных выше, без необходимости проведения излишних экспериментов. Объем изобретения не ограничен каким-либо конкретным вариантом его выполнения с использованием как известной технологии, так и разработанной в будущем. Объем изобретения включает реализацию функциональности процессоров 12 в виде автономного процессора или процессорного модуля, отдельного процессора или процессорных модулей, а также их комбинации.
Устройство может также содержать другие схемы или компоненты 14 сигнального процессора, включающие, например, память с произвольным доступом (RAM) и/или постоянную память (ROM), аналогичные элементу 14, устройство ввода-вывода и управляющее устройство, а также шины данных и адресные шины, соединяющие перечисленные выше устройства, и/или по меньшей мере один процессор ввода и по меньшей мере один процессор вывода.
Возможные дополнительные приложения
Согласно настоящему изобретению, средства управления системами водяного нагревания или охлаждения, а также системами с подкачивающим насосом могут содержать кривые динамического линейного управления контрольной точки и соответствующие средства. При использовании предлагаемого нового подхода кривая управления становится значительно ближе к кривой системы, и можно значительно снизить затраты на энергию для управления насосом.
Согласно настоящему изобретению, жидкостные системы, рассмотренные здесь, могут содержать первичные насосные системы, вторичные насосные системы, системы циркуляции воды и системы с подкачивающим насосом. Рассмотренные здесь системы могут также содержать одну зону или множество зон.
Согласно настоящему изобретению, описанные выше системы могут содержать ручные или автоматические управляющие клапаны, ручные или автоматические циркуляционные насосы или их комбинации.
Согласно настоящему изобретению, входные процессорные сигналы для управления насосами могут включать давление в системе или дифференциальное давление, давление в зоне или дифференциальные давления, скорость потока в системе или скорости потока в зонах. Другие входные процессорные сигналы могут также включать мощность, вращающий момент, частоту вращения двигателя и т.д.
Согласно настоящему изобретению, технологии формирования и контроля управляющих сигналов, технологии передачи данных и проводные технологии могут включать все обычные средства измерения и передачи данных, которые используются в настоящее время. Предпочтительно, технологии бессенсорного управления насосом, а также беспроводные технологии передачи сигналов от датчиков смогут обеспечить оптимальные и благоприятные решения.
Согласно настоящему изобретению, насосы, рассмотренные здесь для жидкостных насосных систем, могут включать один насос, группу параллельно соединенных насосов, группу последовательно соединенных насосов или их комбинации.
Согласно настоящему изобретению, каскадное соединение/разъединение насосов, а также альтернативные средства могут включать все традиционные средства, которые используются в настоящее время.
Пример кривой адаптивного управления
t
В качестве примера, из вышеуказанной заявки на патент США №12/982286 специалисту очевидно, что кривая SAMA адаптивного управления может быть получена из сигналов мгновенного давления и скорости потока с помощью адаптивного фильтра скользящего среднего по меньшей мере частично на основе уравнения потока в системе посредством самокалибровки следующим образом:
где функция AMAF - функция адаптивного фильтра скользящего среднего, а параметры Q и ΔΡ - мгновенная скорость потока в системе и дифференциальное давление, соответственно.
В вышеуказанной заявке на патент США №12/982286 контрольная точка управления давлением была получена из кривой адаптивного управления в отношении мгновенной скорости потока или скользящего среднего для скорости потока в соответствии с выражением:
где МА - функция фильтра скользящего среднего, а параметр b - малое постоянное смещение для давления. Отметим, что функция AMAF также может быть заменена на функцию фильтра скользящего среднего или любых других аналогичных адаптивных фильтров как известных сегодня, так и разработанных в будущем. Объем изобретения не ограничен типом или видом функции фильтра. Кривые адаптивного управления и технология управления насосом для бытовых и коммерческих систем водяного нагревания или охлаждения могут также иметь в начале кривой управления порог для согласования с минимальной скоростью насоса.
Для системы с произвольными характеристиками распределения, в которой дифференциальное давление P(x,t) является функцией скорости Q(x,t) потока от доли × скорости потока и времени t, кривая адаптивного управления и контрольная точка могут быть также записаны следующим образом:
Здесь функция AMAF представляет собой двумерный адаптивный фильтр скользящего среднего в отношении мгновенной доли x скорости потока в системе и времени t, соответственно.
Техника вывода одного уравнения из другого уравнения
Рассмотренная здесь техника вывода одного уравнения из другого уравнения, например, получение кривой линейного управления контрольной точки из кривых адаптивного и постоянного управления известна, и объем изобретения не ограничен каким-либо конкретным типом или способом такой техники как известной сегодня, так и разработанной в будущем.
Объем изобретения
Подразумевается, что, если явно не указано обратное, любые из признаков, характеристик, вариантов или модификаций, описанных в отношении конкретного варианта выполнения настоящего изобретения, могут также быть применены, использованы или включены в любой другой вариант выполнения настоящего изобретения, описанный в данном документе. Кроме того, чертежи выполнены не в масштабе.
Хотя настоящее изобретение описано на примере центробежного насоса, объем изобретения включает использование тех же признаков в отношении других типов или видов насосов, как известных сегодня, так и разработанных в будущем.
Хотя изобретение было описано и проиллюстрировано на примере вариантов его выполнения, могут быть выполнены описанные и различные другие добавления и изъятия в пределах сущности настоящего изобретения.