CN112540629A - 一种智能阀门流量标定方法及装置 - Google Patents

一种智能阀门流量标定方法及装置 Download PDF

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CN112540629A
CN112540629A CN202011297616.1A CN202011297616A CN112540629A CN 112540629 A CN112540629 A CN 112540629A CN 202011297616 A CN202011297616 A CN 202011297616A CN 112540629 A CN112540629 A CN 112540629A
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flow
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regulator
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申永鹏
谢小品
于福星
王延峰
李信波
温胜涛
闫增伟
忽中奥
王继光
彭飞
李海林
王乾
杨小亮
刘普
胡智宏
郑竹风
刘迪
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Henan Zhuozheng Electronic Technology Co ltd
Zhengzhou University of Light Industry
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Henan Zhuozheng Electronic Technology Co ltd
Zhengzhou University of Light Industry
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    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
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    • G05D7/0617—Control of flow characterised by the use of electric means specially adapted for fluid materials
    • G05D7/0623—Control of flow characterised by the use of electric means specially adapted for fluid materials characterised by the set value given to the control element
    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明提出一种智能阀门流量标定方法及装置，所提出方法综合考虑阀门加工精度、阀体结构、管道压力、管道温度等因素，建立阀门开度与阀门流量之间的非线性映射关系，实现了阀门流量精确调节；所发明装置由压力调节器、变频器、变频水泵、总控制器、加热器、水箱、开度调节器、止回阀、压力计、开关阀、标准流量计、数字温度计、流动调整器、被标定智能温控阀构成。

Description

一种智能阀门流量标定方法及装置
技术领域
本发明属于属于物联网、智能供热领域，具体涉及一种智能阀门流量标定方法及装置。
背景技术
通过智能温控阀门，调节供热管路流量，进而实现室内温度的自适应调节，是提升供暖舒适度、实现能源高效利用的有效途径。
对智能温控阀门流量进行精确调节，是实现高精度室内温度调节的重点。
工程上一般通过调节阀门的开度，实现流量的调节。但是，该方法存在以下缺点：①阀门开度和流量之间存在非线性关系，不能实现流量的准确调节；②没有综合考虑阀体结构、管道压力、管道温度等多因素对阀门流量的影响；③没有考虑加工精度对阀门流量的影响。
如何开发一套能够实现综合考虑加工精度、阀体结构、管道压力、管道温度等综合因素对阀门流量的影响，建立阀门开度与阀门流量之间的非线性映射关系，实现智能温控阀门流量自动标定的装置及方法，是实现阀门流量精确调节，进而实现室内温度的自适应调节，提升供暖舒适度，实现能源高效利用所亟待解决的问题。
发明内容
本发明提出一种智能阀门流量标定方法及装置，能够解决以上问题，本发明综合考虑了阀门加工精度、阀体结构、管道压力、管道温度等因素，建立阀门开度与阀门流量之间的非线性映射关系，实现阀门流量精确调节，进而实现室内温度的自适应调节，提升温暖舒适度。
一种智能阀门流量标定方法，包括如下步骤，
步骤1：构造非线性映射网络；映射函数f*(t)为：
Figure BDA0002785864400000021
式中，xi＝[θ(t),P(t),...,T(t)]，t为时间，θ(t)为智能温控阀门开度、P(t)为管道压力和T(t)为水流温度，
Figure BDA0002785864400000022
为映射层与输出层之间的连接权值，i和j分别表示第i层、第j个节点的输入和输出；θi为偏置系数；
Figure BDA0002785864400000023
为连接第i和j各节点的权重系数；
步骤2：在总体量程范围内随机设定θ(t)、P(t)、......、T(t)值；
步骤3：开关阀和标准流量计切换；
步骤4：读取标准流量计的实际流量f(t)，并记录当前θ(t)、P(t)、......、T(t)和f(t)数值；
步骤5：令t＝t+1；判断t>tmax？：如大于，则进入下一步，否则回到步骤2；
步骤6：第一权值η1修正和第二权值η2修正：该步骤主要用来根据步骤(2)-(5)得到的tmax组非线性映射
Figure BDA0002785864400000024
Figure BDA0002785864400000025
通过权值修正算法调整
Figure BDA0002785864400000026
θi和
Figure BDA0002785864400000027
以确保
Figure BDA0002785864400000028
进一步的，所述步骤1中构造非线性映射网络的具体方法如下：构造包含n个节点的输入层、l个映射层和m个输出层的非线性网络；
步骤1.1：输入层
Figure BDA0002785864400000029
包括智能温控阀门开度θ(t)、管道压力P(t)和水流温度T(t)，传输到输出层为
Figure BDA00027858644000000210
Figure BDA00027858644000000211
步骤1.2：映射层为非线性映射关系的功能环节，其输入输出关系为
Figure BDA00027858644000000212
Figure BDA00027858644000000213
Figure BDA00027858644000000214
式中，
Figure BDA00027858644000000215
为连接第i和j各节点的权重系数；θi为偏置系数；
步骤1.3：输出层主要用于将映射层的输出转换至输出f*(t)，
Figure BDA0002785864400000031
式中，
Figure BDA0002785864400000032
为映射层与输出层之间的连接权值。
进一步的，所述步骤6中的第一权值η1修正和第二权值η2修正的修正方法如下：
步骤6.1：依次取第k组样本
Figure BDA0002785864400000033
将
Figure BDA0002785864400000034
输入网络；
步骤6.2：依次计算
Figure BDA0002785864400000035
否？，如果J＜ε，退出；
步骤6.3：计算
Figure BDA0002785864400000036
Figure BDA0002785864400000037
Figure BDA0002785864400000038
步骤6.4：更新系数：
Figure BDA0002785864400000039
Figure BDA00027858644000000310
步骤6.5：返回步骤6.1。
进一步的，所述输入层的节点为3个，n＝3，，x1＝θ(t)、x2＝P(t)、x3＝T(t)；其中θ(t)为智能温控阀门开度、P(t)为管道压力和T(t)为水流温度。
进一步的，所述智能温控阀门开度包括多个并联的开关阀，仅有全开和全关两种状态。
进一步的，所述的标准流量计包括多个并联的标准流量计，由其前端的开关阀状态控制是否接入管路，仅有一个标准流量计接入管路。
进一步的，所述智能温控阀门由电动开度调节器控制开度，所述智能温控阀门为球阀、平衡阀、蝶阀中的一种或多种。
进一步的，所述管道压力由压力调节器进行调节，通过对变频器的控制，调节水泵输出量，实现对管道压力的闭环控制。
一种智能阀门流量标定装置，包括压力调节器、变频器、变频水泵、总控制器、加热器、水箱、开度调节器、止回阀、压力计、开关阀、标准流量计、数字温度计、流动调整器、被标定智能温控阀；变频器驱动变频水泵，加热器对水箱进行加热，变频水泵依次与止回阀、压力计、开关阀、标准流量计、流动调节器、被标定智能温控阀、水箱相连接，数字温度计用于测量管道水流温度，总控制器与压力调节器、变频器、开关阀、标准流量计、数字温度计、加热器、开度调节器相连接；总控制器用于采集数字温度计、标准流量计和压力调节器输出的温度、流量和压力信号，总控制器综合阀门加工精度、阀体结构、管道压力、管道温度，建立阀门开度与阀门流量之间的非线性映射关系，实现对开关阀、开度调节器、变频器和加热器的控制。
进一步的，所述智能温控阀门开度包括多个并联的开关阀，仅有全开和全关两种状态；所述的标准流量计包括多个并联的标准流量计，由其前端的开关阀状态控制是否接入管路，仅有一个标准流量计接入管路。
本发明能够实现如下的技术效果：
1、本发明综合考虑了阀门加工精度、阀体结构、管道压力、管道温度等综合因素对阀门流量的影响，从而更加精确的调节温度；
2、建立了阀门开度与阀门流量之间的非线性映射关系，实现了智能温控阀门流量自动标定。
附图说明
图1本发明的智能温控阀门流量标定装置结构；
图2本发明的非线性映射网络；
图3本发明的智能温控阀门流量标定流程。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：
参照图1，一种智能阀门流量标定装置，包括压力调节器11、变频器12、变频水泵1、总控制器10、加热器14、水箱13、开度调节器9、止回阀2、压力计3、开关阀4、标准流量计5、数字温度计6、流动调整器7、被标定智能温控阀8；变频器12驱动变频水泵1，加热器14对水箱13进行加热，变频水泵1依次与止回阀2、压力计3、开关阀4、标准流量计5、流动调节器7、被标定智能温控阀8、水箱13相连接，数字温度计6用于测量管道水流温度，总控制器10与压力调节器11、变频器12、开关阀4、标准流量计5、数字温度计6、加热器14、开度调节器9相连接；总控制器10用于采集数字温度计6、标准流量计5和压力调节器11输出的温度、流量和压力信号，总控制器10综合阀门加工精度、阀体结构、管道压力、管道温度，建立阀门开度与阀门流量之间的非线性映射关系，实现对开关阀、开度调节器、变频器和加热器的控制。
进一步的，各部分功能如下：
变频水泵1：由变频器12驱动，用于实现水流压力的调节，进而控制管道内水流压力；
止回阀2：防止管道水流倒流入水箱；
压力计3：用于测量管道压力，并通过总线发送至压力调节器11；
开关阀4：多个并联的开关阀，仅有全开和全关两种状态的开关阀，通过开关阀的开关，用于根据设定流量值选择合适的标准流量计，以确保设定流量值位于标准流量计的量程比范围内，进而提升流量测量精度；
标准流量计5：多个并联的标准流量计，由前端的开关阀状态控制是否接入管路，任何时刻，仅有一个标准流量计接入管路；
数字温度计6：用于测量管道水流温度，并通过总线发送至总控制器10；
流动调整器7：用于调节管道水流，以取保后端的被标定智能温控阀8处于充分发展紊流中；
被标定智能温控阀8：由电动开度调节器控制开度的被标定智能温控阀，阀门形式不限，可为球阀、平衡阀、蝶阀等；
开度调节器9：接收总控制器10发出的开度信号，并驱动被标定智能温控阀8至指定开度；
总控制器10：整个智能温控阀门流量标定***的控制核心，用于采集数字温度计6、标准流量计5和压力调节器11输出的温度、流量和压力信号，同时实现对开关阀4、开度调节器9、变频器12和加热器14的控制；
压力调节器11：接收压力计3输出的压力信号，通过对变频器12的控制，调节水泵输出量，实现对管道压力的闭环控制，确保管道压力稳定；
变频器12：实现对变频水泵1的转速调节，进而调节水泵输出量；
水箱13：为变频水泵1提供水源，同时接受被标定智能温控阀8输出的；
加热器14：接收总控制器10输出的加热信号，实现对水的加热控制。
参照图2-3，一种智能流量标定方法，包括以下步骤，步骤1：阀门构造非线性映射网络：构造包含n个节点的输入层、l个映射层和m个输出层的非线性网络。其中，用
Figure BDA0002785864400000061
表示第i层、第j个节点的输入和输出，则各层各节点的输入、输出关系为：
步骤1.1：输入层不进行任何运算，仅仅是智能温控阀门开度θ(t)、管道压力P(t)和水流温度T(t)传输到下层网络，即
Figure BDA0002785864400000062
步骤1.2：映射层为非线性映射关系的功能环节，其输入输出关系为
Figure BDA0002785864400000063
Figure BDA0002785864400000064
Figure BDA0002785864400000065
式中，xi＝[θ(t),P(t),...,T(t)]，t为时间，θ(t)为智能温控阀门开度、P(t)为管道压力和T(t)为水流温度，
Figure BDA0002785864400000071
为映射层与输出层之间的连接权值，i和j分别表示第i层、第j个节点的输入和输出；θi为偏置系数；
Figure BDA0002785864400000072
为连接第i和j各节点的权重系数；
步骤1.3：输出层主要用于将映射层的输出转换至输出f*(t)，
Figure BDA0002785864400000073
式中，
Figure BDA0002785864400000074
为映射层与输出层之间的连接权值。
综上可知，输入与输出之间的映射关系可描述为，
Figure BDA0002785864400000075
式中，x1＝θ(t)、x2＝P(t)、x3＝T(t)。
步骤2：在总体量程范围内随机设定
Figure BDA0002785864400000076
P(t)、T(t)值：随设定智能温控阀开度为θ(t)(0～100％范围内)、管道压力为P(t)(Pmin～Pmax范围内)、T(t)值(Tmin～Tmax范围内)；
步骤3：开关阀和标准流量计切换：检测标准流量计流量，如果流量超出当前流量计量程，通过选择合适的开关阀切换至较大、或者较小流量的流量计(提升流量的测量精度)；
步骤4：实际流量读取：读取标准流量计的实际流量f(t)，并记录当前θ(t)、P(t)、T(t)和f(t)数值；
步骤5：令t＝t+1；判断t>tmax？：如大于，则进入下一步，否则回到第2步，本例tmax＝10000；
步骤6：第一权值η1修正和第二权值η2修正：该步骤主要用来根据步骤2-5得到的tmax组非线性映射
Figure BDA0002785864400000077
通过权值修正算法调整
Figure BDA0002785864400000081
θi和
Figure BDA0002785864400000082
以确保
Figure BDA0002785864400000083
具体修正过程如下：
步骤6.1：依次取第k组样本
Figure BDA0002785864400000084
将
Figure BDA0002785864400000085
输入网络；
步骤6.1：依次计算
Figure BDA0002785864400000086
否？，如果J＜ε，退出；
步骤6.1：计算
Figure BDA0002785864400000087
Figure BDA0002785864400000088
Figure BDA0002785864400000089
步骤6.1：更新系数：
Figure BDA00027858644000000810
Figure BDA00027858644000000811
步骤6.1：返回步骤6.1。
取n＝3如图2所示，即输入层的节点为3个，x1＝θ(t)、x2＝P(t)、x3＝T(t)；其中θ(t)为智能温控阀门开度、P(t)为管道压力和T(t)为水流温度。
如果取取n＝3、l＝6、m＝1，则第一权值修正值和第二权值修正值分别为η1＝0.5和η2＝0.5。
进一步的，步骤1中的智能温控阀门开度包括多个并联的开关阀，仅有全开和全关两种状态。
进一步的，步骤1中的标准流量计包括多个并联的标准流量计，由其前端的开关阀状态控制是否接入管路，仅有一个标准流量计接入管路。
进一步的，步骤1中的智能温控阀门由电动开度调节器控制开度，所述智能温控阀门为球阀、平衡阀、蝶阀中的一种或多种。
进一步的，步骤1中的管道压力由压力调节器进行调节，通过对变频器的控制，调节水泵输出量，实现对管道压力的闭环控制。
本发明综合考虑阀门加工精度、阀体结构、管道压力、管道温度等因素，建立阀门开度与阀门流量之间的非线性映射关系，实现阀门流量精确调节，进而实现室内温度的自适应调节，提升温暖舒适度。
最后应该说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的技术人员阅读本申请后，参照上述实施例对本发明进行种种修改或变更的行为，均在本发明申请待批的权利申请要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种智能阀门流量标定方法，其特征在于，令智能温控阀门开度θ(t)、管道压力P(t)和水流温度T(t)为输入变量，标定流量*f(t)为输出，通过构造非线性映射网络，通过调整非线性映射网络权重，实现阀门开度θ(t)与流量之间的高精度非线性标定，具体包括如下步骤，
步骤1：构造非线性映射网络；映射函数f*(t)为：
Figure FDA0002785864390000011
式中，xi＝[θ(t),P(t),...,T(t)]，t为时间，
Figure FDA0002785864390000012
为映射层与输出层之间的连接权值，i和j分别表示第i层、第j个节点的输入和输出；θi为偏置系数；
Figure FDA0002785864390000013
为连接第i和j各节点的权重系数；
步骤2：在总体量程范围内随机设定θ(t)、P(t)、......、T(t)值；
步骤3：开关阀和标准流量计切换；
步骤4：读取标准流量计的实际流量f(t)，并记录当前θ(t)、P(t)、......、T(t)和f(t)数值；
步骤5：令t＝t+1；判断t>tmax？：如大于，则进入下一步，否则回到步骤2；
步骤6：第一权值η1修正和第二权值η2修正：该步骤主要用来根据步骤(2)-(5)得到的tmax组非线性映射
Figure FDA0002785864390000014
Figure FDA0002785864390000015
Figure FDA0002785864390000016
通过权值修正算法调整
Figure FDA0002785864390000017
θi和
Figure FDA0002785864390000018
以确保
Figure FDA0002785864390000019
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1中构造非线性映射网络的具体方法如下：构造包含n个节点的输入层、l个映射层和m个输出层的非线性网络；
步骤1.1：输入层
Figure FDA00027858643900000110
包括智能温控阀门开度θ(t)、管道压力P(t)和水流温度T(t)，传输到输出层为
Figure FDA00027858643900000111
Figure FDA00027858643900000112
步骤1.2：映射层为非线性映射关系的功能环节，其输入输出关系为
Figure FDA0002785864390000021
Figure FDA0002785864390000022
Figure FDA0002785864390000023
式中，
Figure FDA0002785864390000024
为连接第i和j各节点的权重系数；θi为偏置系数；
步骤1.3：输出层主要用于将映射层的输出转换至输出f*(t)，
Figure FDA0002785864390000025
式中，
Figure FDA0002785864390000026
为映射层与输出层之间的连接权值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤6中的第一权值η1修正和第二权值η2修正的修正方法如下：
步骤6.1：依次取第k组样本
Figure FDA0002785864390000027
将
Figure FDA0002785864390000028
输入网络；
步骤6.2：依次计算
Figure FDA0002785864390000029
否？，如果J＜ε，退出；
步骤6.3：计算
Figure FDA00027858643900000210
Figure FDA00027858643900000211
Figure FDA00027858643900000212
步骤6.4：更新系数：
Figure FDA00027858643900000213
Figure FDA00027858643900000214
步骤6.5：返回步骤6.1。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述输入层的节点为3个，n＝3，，x1＝θ(t)、x2＝P(t)、x3＝T(t)；其中θ(t)为智能温控阀门开度、P(t)为管道压力和T(t)为水流温度。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述智能温控阀门开度包括多个并联的开关阀，仅有全开和全关两种状态。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的标准流量计包括多个并联的标准流量计，由其前端的开关阀状态控制是否接入管路，仅有一个标准流量计接入管路。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述智能温控阀门由电动开度调节器控制开度，所述智能温控阀门为球阀、平衡阀、蝶阀中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述管道压力由压力调节器进行调节，通过对变频器的控制，调节水泵输出量，实现对管道压力的闭环控制。
9.一种智能阀门流量标定装置，其特征在于，包括压力调节器、变频器、变频水泵、总控制器、加热器、水箱、开度调节器、止回阀、压力计、开关阀、标准流量计、数字温度计、流动调整器、被标定智能温控阀；变频器驱动变频水泵，加热器对水箱进行加热，变频水泵依次与止回阀、压力计、开关阀、标准流量计、流动调节器、被标定智能温控阀、水箱相连接，数字温度计用于测量管道水流温度，总控制器与压力调节器、变频器、开关阀、标准流量计、数字温度计、加热器、开度调节器相连接；总控制器用于采集数字温度计、标准流量计和压力调节器输出的温度、流量和压力信号，总控制器综合阀门加工精度、阀体结构、管道压力、管道温度，建立阀门开度与阀门流量之间的非线性映射关系，实现对开关阀、开度调节器、变频器和加热器的控制。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于：所述智能温控阀门开度包括多个并联的开关阀，仅有全开和全关两种状态；所述的标准流量计包括多个并联的标准流量计，由其前端的开关阀状态控制是否接入管路，仅有一个标准流量计接入管路。
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