模糊控制下新型二次供水設(shè)備的動力匹配

排 非,吳 立

(1.太原市汾源供水設(shè)備有限公司，山西 太原 030027；2.太原科技大學(xué)，山西 太原 030024)

0 引言

基于我國人口數(shù)量眾多的基本國情之一和土地合理使用化的方略，高層小區(qū)廣泛出現(xiàn)，用水供水問題逐步增多，因此不僅需要增加一個二次供水增壓設(shè)施來解決問題，而且還需要將設(shè)施不斷地改進(jìn)。新型伺服直驅(qū)式二次供水設(shè)備在模糊控制器和伺服電機(jī)控制的立式多級離心泵的加持下，既可以根據(jù)樓層高低和相應(yīng)用戶用水的不同情況，做出合理而又切實(shí)的供水調(diào)整，又可以實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)最大效率投入使用[1-2]。

下文中介紹了新型伺服直驅(qū)式二次供水設(shè)備如何根據(jù)立式多級離心泵的轉(zhuǎn)矩選擇合適的伺服電機(jī)進(jìn)而保證用水高峰期時高層住戶的供水壓力與流量需求。此外，還介紹了模糊控制器的設(shè)計和模糊控制方法在新型伺服直驅(qū)式二次供水系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 新型伺服直驅(qū)式二次供水設(shè)備的動力選配

1.1 立式多級離心泵結(jié)構(gòu)及工作原理

立式多級離心泵由葉輪、泵體、轉(zhuǎn)動軸、軸承、密封環(huán)、填料函這六部分組成。立式多級離心泵在本文的設(shè)計中主要用于高層增壓供水。

立式多級離心泵的主要工作原理為：伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動軸帶動離心泵的葉輪高速旋轉(zhuǎn)，葉片間的流體隨之轉(zhuǎn)動。流體受離心力作用，向葉輪外圍運(yùn)動并獲得能量(此時葉輪中心會形成一定真空，水流會源源不斷吸入葉輪中)，至葉輪外圍時被泵殼擋住并匯集其中，最后泵殼將流體的動能轉(zhuǎn)化為靜壓能以較高的壓力排出。

如果離心泵在啟動前殼內(nèi)充滿空氣，由于密度原因，導(dǎo)致離心力較小，葉輪中心無法形成足夠大的真空，流體則不能壓入水泵。為防止此情況出現(xiàn)，離心泵啟動前要用外來的液體將泵殼內(nèi)空間灌滿。

1.2 立式多級離心泵轉(zhuǎn)矩仿真分析和伺服電機(jī)的選型

轉(zhuǎn)矩的測量對傳動軸載荷的確定與原動機(jī)型號的選擇等都具有重要的意義。運(yùn)用Fluent仿真軟件，對離心泵的轉(zhuǎn)矩特性進(jìn)行仿真研究和數(shù)據(jù)分析，從而選擇合適的伺服電機(jī)作為新型伺服直驅(qū)式二次供水設(shè)備的原動機(jī)[3-5]。

該離心泵在實(shí)際運(yùn)行中會遇到多種工況，如表1所示，選擇了比較有代表性的兩種工況。

表1 離心泵實(shí)際運(yùn)行工況表

通過以上數(shù)據(jù)并觀察離心泵的轉(zhuǎn)矩情況，對離心泵模型進(jìn)行相應(yīng)條件下的流體動力學(xué)數(shù)值分析和Fluent仿真處理后分析，并依據(jù)出口流量公式計算分別得出工況一、二水口流量約為15.90 m3/h，7.56 m3/h和離心泵轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)矩為24.6 N·m，11.3 N·m，接近實(shí)際出水口流量[6-7]。

為了匹配合適的伺服電機(jī)，在兩種工況下，改變轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)速，分別測量各個轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)矩的大小以及出水口流量，找出離心泵轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩關(guān)系，得到圖1。

如圖1所示，由轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的線性關(guān)系可得：離心泵達(dá)到最高轉(zhuǎn)速3 000 rpm時，轉(zhuǎn)矩達(dá)到的最大值為24.6 N·m。又查得EHS100-T4-26D的額定扭矩為26 N·m，故選擇該型號的伺服電機(jī)。

2 模糊控制器在供水設(shè)備中的應(yīng)用

2.1 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

模糊控制系統(tǒng)一般由模糊控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控對象、傳感器組成。其工作原理為：傳感器接收到模擬信號，然后反饋到A/D轉(zhuǎn)換模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號轉(zhuǎn)換成模糊控制器可識別的數(shù)字信號，模糊控制器計算處理這些信號以后，得出相對應(yīng)的控制信號，再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠識別的模擬信號，最后控制被控對象。其模糊控制工作原理圖如圖2所示，其中虛線部分所包含的模糊控制器是整個控制系統(tǒng)的核心。

2.2 模糊控制器的設(shè)計

2.2.1 模糊控制器的結(jié)構(gòu)

模糊控制器的輸入變量有三個：誤差E，誤差變化率EC，誤差變化的變化ΔEC。由于研究的新型伺服直驅(qū)式二次供水設(shè)備需要較好的實(shí)時性和較快的響應(yīng)速度，因此模糊控制器選用二維模糊控制器，并以出水口流量的誤差E和誤差變化率EC為輸入變量，以伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速為輸出變量U。

2.2.2 模糊控制器的過程

1)由于傳感器的測量值以及伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速都是數(shù)值變量，要想得到語言變量，就需要對輸入和輸出變量進(jìn)行模糊化處理。

2)模糊控制規(guī)則的建立：它是模糊控制器設(shè)計中關(guān)鍵的一步，系統(tǒng)的運(yùn)行行為準(zhǔn)則完全取決于模糊控制規(guī)則，所以在設(shè)計時需要根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際的運(yùn)行狀況，文中選取“三角形”隸屬度函數(shù)作為模糊控制器的隸屬度函數(shù)，在經(jīng)過模糊化處理后，論域?yàn)閇-6，6]，而七個模糊子集為NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，從而得到輸入量隸屬度關(guān)系和各個狀態(tài)下的模糊子集。得到的輸入量隸屬度函數(shù)賦值結(jié)果和輸出量隸屬度函數(shù)賦值結(jié)果在模糊控制中輸入輸出變量的隸屬度函數(shù)確定后，設(shè)定模糊控制規(guī)則。根據(jù)這個規(guī)則和具體工況來控制之前匹配的伺服電機(jī)，保證用戶正常用水。

3)在模糊控制規(guī)則庫建好之后，將模糊的輸出量，在模糊控制器中采用最大隸屬度法，轉(zhuǎn)換為清晰的確定量，而后實(shí)際有誤差的工況下，模糊控制器根據(jù)輸入的不同流量誤差與流量變化率情況，將對應(yīng)輸出不同大小的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)調(diào)壓供水功能，這就充分體現(xiàn)了模糊控制較好的容錯性。具體控制情況見表2。

表2 不同工況控制規(guī)則表

3 新型伺服直驅(qū)式二次供水設(shè)備匹配動力的性能測試

在山西省太原市汾源設(shè)備有限公司廠房內(nèi)進(jìn)行模擬試驗(yàn)研究。測試實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場如圖3所示。

測試實(shí)驗(yàn)中，通過模糊控制系統(tǒng)設(shè)置以上兩種工況的壓力情況，通過改變離心泵轉(zhuǎn)速，觀察并記錄出水口流量數(shù)據(jù)以及伺服電機(jī)上的其他相關(guān)參數(shù)。具體模擬測試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 離心泵性能測試數(shù)據(jù)表

在工況一的情況下，轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值23.9 N·m，與仿真結(jié)果24.6 N·m相近，也不超過該型號伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩26 N·m。證明該型號伺服電機(jī)滿足新型伺服直驅(qū)式二次供水設(shè)備的極限工作需求[8-10]。通過仿真、測試、計算分析，在不同轉(zhuǎn)速條件下對離心泵的轉(zhuǎn)矩以及流量等性能參數(shù)進(jìn)行了測試實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了離心泵和伺服電機(jī)匹配的準(zhǔn)確性和模糊控制系統(tǒng)的實(shí)用性。

4 結(jié)語

文中介紹的新型伺服直驅(qū)式二次供水設(shè)備，是在之前二次供水設(shè)備的基礎(chǔ)上改進(jìn)和提升。它采用了立式多級離心泵及其相匹配的伺服電機(jī)，在模糊控制規(guī)則的控制和調(diào)整下可以根據(jù)在不同的情況下，很好的滿足高層小區(qū)各用戶的用水需求，具有較好的容錯性和適應(yīng)性。在山西省太原市汾源設(shè)備有限公司廠房的實(shí)驗(yàn)中，相對于之前二次供水設(shè)備而言，運(yùn)行響應(yīng)速度快、實(shí)時性強(qiáng)、實(shí)際效果更好，是二次供水領(lǐng)域的又一大進(jìn)步。