模糊控制下新型二次供水設備的動力匹配

排 非,吳 立

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

0 引言

基于我國人口數量眾多的基本國情之一和土地合理使用化的方略，高層小區廣泛出現，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施來解決問題，而且還需要將設施不斷地改進。新型伺服直驅式二次供水設備在模糊控制器和伺服電機控制的立式多級離心泵的加持下，既可以根據樓層高低和相應用戶用水的不同情況，做出合理而又切實的供水調整，又可以實現伺服電機最大效率投入使用[1-2]。

下文中介紹了新型伺服直驅式二次供水設備如何根據立式多級離心泵的轉矩選擇合適的伺服電機進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計和模糊控制方法在新型伺服直驅式二次供水系統中的應用。

1 新型伺服直驅式二次供水設備的動力選配

1.1 立式多級離心泵結構及工作原理

立式多級離心泵由葉輪、泵體、轉動軸、軸承、密封環、填料函這六部分組成。立式多級離心泵在本文的設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：伺服電機通過聯軸器的轉動軸帶動離心泵的葉輪高速旋轉，葉片間的流體隨之轉動。流體受離心力作用，向葉輪外圍運動并獲得能量(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化為靜壓能以較高的壓力排出。

如果離心泵在啟動前殼內充滿空氣，由于密度原因，導致離心力較小，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，離心泵啟動前要用外來的液體將泵殼內空間灌滿。

1.2 立式多級離心泵轉矩仿真分析和伺服電機的選型

轉矩的測量對傳動軸載荷的確定與原動機型號的選擇等都具有重要的意義。運用Fluent仿真軟件，對離心泵的轉矩特性進行仿真研究和數據分析，從而選擇合適的伺服電機作為新型伺服直驅式二次供水設備的原動機[3-5]。

該離心泵在實際運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 離心泵實際運行工況表

通過以上數據并觀察離心泵的轉矩情況，對離心泵模型進行相應條件下的流體動力學數值分析和Fluent仿真處理后分析，并依據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和離心泵轉動軸的轉矩為24.6 N·m，11.3 N·m，接近實際出水口流量[6-7]。

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

如圖1所示，由轉速和轉矩的線性關系可得：離心泵達到最高轉速3 000 rpm時，轉矩達到的最大值為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。

2 模糊控制器在供水設備中的應用

2.1 模糊控制系統結構與工作原理

模糊控制系統一般由模糊控制器、執行機構、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轉換模塊，A/D轉換模塊將模擬信號轉換成模糊控制器可識別的數字信號，模糊控制器計算處理這些信號以后，得出相對應的控制信號，再經過D/A轉換模塊轉換成執行機構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的核心。

2.2 模糊控制器的設計

2.2.1 模糊控制器的結構

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式二次供水設備需要較好的實時性和較快的響應速度，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，以伺服電機的轉速為輸出變量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的轉速都是數值變量，要想得到語言變量，就需要對輸入和輸出變量進行模糊化處理。

2)模糊控制規則的建立：它是模糊控制器設計中關鍵的一步，系統的運行行為準則完全取決于模糊控制規則，所以在設計時需要根據系統實際的運行狀況，文中選取“三角形”隸屬度函數作為模糊控制器的隸屬度函數，在經過模糊化處理后，論域為[-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系和各個狀態下的模糊子集。得到的輸入量隸屬度函數賦值結果和輸出量隸屬度函數賦值結果在模糊控制中輸入輸出變量的隸屬度函數確定后，設定模糊控制規則。根據這個規則和具體工況來控制之前匹配的伺服電機，保證用戶正常用水。

3)在模糊控制規則庫建好之后，將模糊的輸出量，在模糊控制器中采用最大隸屬度法，轉換為清晰的確定量，而后實際有誤差的工況下，模糊控制器根據輸入的不同流量誤差與流量變化率情況，將對應輸出不同大小的轉速，進而控制伺服電機，實現調壓供水功能，這就充分體現了模糊控制較好的容錯性。具體控制情況見表2。

表2 不同工況控制規則表

3 新型伺服直驅式二次供水設備匹配動力的性能測試

在山西省太原市汾源設備有限公司廠房內進行模擬試驗研究。測試實驗現場如圖3所示。

測試實驗中，通過模糊控制系統設置以上兩種工況的壓力情況，通過改變離心泵轉速，觀察并記錄出水口流量數據以及伺服電機上的其他相關參數。具體模擬測試數據如表3所示。

表3 離心泵性能測試數據表

在工況一的情況下，轉矩達到最大值23.9 N·m，與仿真結果24.6 N·m相近，也不超過該型號伺服電機額定轉矩26 N·m。證明該型號伺服電機滿足新型伺服直驅式二次供水設備的極限工作需求[8-10]。通過仿真、測試、計算分析，在不同轉速條件下對離心泵的轉矩以及流量等性能參數進行了測試實驗，驗證了離心泵和伺服電機匹配的準確性和模糊控制系統的實用性。

4 結語

文中介紹的新型伺服直驅式二次供水設備，是在之前二次供水設備的基礎上改進和提升。它采用了立式多級離心泵及其相匹配的伺服電機，在模糊控制規則的控制和調整下可以根據在不同的情況下，很好的滿足高層小區各用戶的用水需求，具有較好的容錯性和適應性。在山西省太原市汾源設備有限公司廠房的實驗中，相對于之前二次供水設備而言，運行響應速度快、實時性強、實際效果更好，是二次供水領域的又一大進步。