CN116157630A - 用于控制循环泵特别是加热泵的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制液压***中的可变转速循环泵的方法，其中所述方法规定：根据所存储的控制曲线控制循环泵的转速；识别出是否存在所述液压***的稳态运行点并计算出初始***阻力，并且其中在稳态运行点中，降低泵转速直到达到最小***曲线并计算出最小***阻力，以便基于所确定的初始***阻力和最小***阻力的比较而适配用于循环泵的转速控制的控制曲线。

Description

用于控制循环泵特别是加热泵的方法
技术领域
本发明涉及一种用于控制液压***，特别是供热***中的可变转速循环泵的方法。
背景技术
如今，通常采用“比例压力”的控制方式来运行转速控制供热循环泵。在此，所述泵自动检测当前存在的输送流量并根据控制曲线调整输送扬程。控制曲线提供了一个与输送流量成比例增加的输送扬程。根据建筑物的不同，可以设置不同的控制曲线。控制曲线的选择基于所分配的在0％到100％之间的额定值来进行。图1在Q/H图中以示例的方式示出了具有所分配的额定值0％、20％、40％、60％、80％和100％的可调整的控制曲线。
如果在泵控制中设置了60％的额定值，则使用图像中标记的控制曲线。如果输送流量Q＝5m3/h，则泵控制通过适配转速将输送扬程H设置为3.5m。另一方面，在输送流量Q为3m3/h的情况下，则将输送扬程H设置为2.8m。
用于节能的比例压力控制的扩展方案是申请人的所谓的“动态控制”方法。在此，在开启泵(t0)后，首先使用经典控制曲线，特别是比例压力曲线(图2a)。同时，泵观察其输送流量Q并检查它是否保持在恒定极限内(恒定意味着，输送流量在极限Qtolerance内变动，如图2a所示)。如果输送流量在特定持续时间内保持恒定(图2a“delayTime(延迟时间)”)，则运行点称为“稳定”(此处为时间点t1)。
然后，泵开始非常缓慢但持久地降低其转速(图2b)。因此，供热***的恒温阀打开(见图2c)，以便尽管在循环泵的转速降低的情况下还是保持室温恒定。一旦恒温阀完全打开(时间t2)，流量就会降低并且极限Qtolerance被突破(时间点t3)。
当超过极限时，算法切换回静态控制曲线并且转速提高到其原始值，即应用具有原始额定值的控制曲线。通过这种方式，确保房间内不会出现供应不足。
然而，所示方法的缺点在于，所述控制总是跳回原来设定的控制曲线。发明人已将这一事实作为进一步改进用于优化泵的能量效率的方法的出发点。
发明内容
因此，本发明的目的是从现有技术出发，展示一种用于循环泵、特别是供热循环泵的经优化的控制方法，该方法允许更有效地运行循环泵。
该目的通过根据权利要求1的特征的方法实现。有利的实施方案是从属权利要求的主题。
本发明基于一种用于控制液压***中的可变转速循环泵的方法。液压***可以是供热***，其***特性曲线由于自调整的加热体恒温器而是动态的。如在现有技术中，根据预定的控制曲线来调整泵或其转速。例如，这样的控制曲线在Q-H图中被定义，并针对给定的输送流量为泵控制预给定要调整的输送扬程。然后泵的控制改变其转速以达到预给定的输送扬程。例如，控制曲线可以定义与输送流量成比例的输送扬程，从而使泵控制执行泵的比例压力控制。然而，该方法同样也可应用于其他控制类型和控制曲线。
根据本发明，该方法规定：在基于预给定的控制曲线执行的泵控制期间检查泵或液压***是否处于稳态的运行点。例如，如果***特性曲线没有变化，例如供热***的恒温阀开度几乎保持恒定，则存在稳态的运行点。在此状态下，泵特别是通过使用物理关系来确定初始***阻力：
Figure BDA0004113731580000021
其中H代表输送扬程，Q代表输送流量。如果识别出上述稳态运行点，则触发优化过程以优化所设置和应用的控制曲线。在优化过程期间，泵开始降低泵转速，正如通过之前已知的“动态控制”功能(见图2a-2d)所执行的那样。在此，转速被缓慢减小，但在理想情况下是持久减小。通过降低转速，安装在液压***中的阀门，特别是恒温阀，被迫尽可能地打开，从而减小***阻力。根据本发明，在此降低转速直到在***中出现最低***阻力，即在理想情况下所有恒温阀都完全打开。
如果达到最小***阻力状态，则由泵识别出该状态并且泵计算出之后存在的最小***阻力，特别是根据以上等式来计算。为了优化控制曲线而假定：如果液压***具有尽可能低的***阻力，则存在泵的能量上有利的运行状态。通过将初始***阻力与检测到的最小***阻力进行比较，现在可以确定：这两个阻力值是否以及在多大程度上彼此不同。基于比较结果，现在对控制曲线进行适配，以便将在正常控制运行中出现的初始***阻力引至更接近最小***阻力。
如上所述，当识别出稳态运行点时应触发优化过程。有利地，如果所测得的当前输送流量不超过针对输送流量所限定的极限偏差，即输送流量在一定时间段内保持恒定或几乎恒定，则泵假定稳态运行点。例如，所测得的输送流量或由泵通过算法所估算的输送流量在所限定时间段t内必须在输送流量的所限定范围ΔQ以内。该范围ΔQ限定了输送流量的上下允许偏差，在所述偏差情况下仍然还可以假定准稳态的输送流量。
根据本发明，降低泵转速直到在***中出现最小***阻力。根据本发明的优选实施方案，如果尽管转速降低但输送流量还是保持在限定的极限偏差内，即在范围ΔQ内，则泵假定：还不能达到最小***阻力的状态。这是因为优化过程期间的转速降低最初还通过***中阀门的打开得到补偿，从而尽管转速降低，但输送流量还可以保持几乎恒定。另一方面，如果阀门已经完全打开，则泵转速的进一步降低会导致输送流量的强制降低，这可以被泵识别到。这意味着在进一步降低转速后超过极限偏差并且输送流量不再在ΔQ范围内，其中泵假设现在可以实现最小***阻力。
在为了适配控制曲线而比较***阻力时，可优选地考虑初始***阻力与最小***阻力之间的阻力比。因此，根据比率值以及因此根据这两个阻力值之间的偏差程度而作出关于是否应该对控制曲线进行适配以及应该以何种形式对控制曲线进行适配的决定。如果最小阻力值与初始阻力值之间的比率很大并且特别是高于预先限定的第一极限值，则应该降低控制曲线。降低控制曲线会导致泵在预给定的输送流量情况下设置较低的输送扬程。相反，如果该比率大于第一极限值，则可以升高控制曲线。优选地，还可以针对关于升高控制曲线的决定而限定单独的(第二)极限值。第一和第二极限值之间的通道限定了一个值范围，针对该值范围，如果最小***阻力和初始***阻力之间的阻力比在该通道内，则不执行控制曲线的适配。
第一极限值的可设想值在0.85至0.95之间。对于第一极限值，优选地，值约为0.9。第二极限值可以在0.95至1之间，特别优选地，值约为0.98。
可以根据计算出的初始***阻力和最小***阻力之间的差值来确定控制曲线的适配范围，即应该多大幅度地进行降低或升高，也即，该差值的大小对于控制曲线降低的程度而言是决定性的。必要时，还可以使用可配置的因子来适配该差值，即可以提高或减小该差值。
控制曲线的降低可以根据下述模式进行。泵首先确定针对借助当前设置的控制曲线可达到的最高运行点的***阻力。其优选地通过控制曲线与Q-H泵特性曲线的交点来限定。这样获得的***阻力随后通过所计算出的差值而被减小，优选地在考虑到上述因子的情况下被减小。然后，基于经降低的***阻力而确定合适的控制曲线，该控制曲线然后与泵特性曲线相交于较低的输送扬程。
另一方面，如果事先确定出：由于阻力比而有必要提高控制曲线，则可以按照与上述类似的行动方式进行，或者替代地可以通过固定的、特别是可预先限定的量值来提高在借助当前设置的控制曲线可达到的最高运行点的***阻力。然后，可以基于经提高的***阻力值选择合适的控制曲线。
根据优选实施方案，迭代地执行上述优化过程。
除了根据本发明的方法之外，本发明还涉及一种循环泵，特别是供热循环泵，其具有控制单元，该控制单元构造成执行根据本发明的方法或该方法的有利实施变型。
附图说明
下面应基于本发明的具体实施例来展示本发明的进一步优点和特性。下面的图用于阐明根据本发明的方法。其中：
图1示出了Q-H图，其中绘制了针对比例压力控制的控制曲线，
图2示出了各种图表表示，以说明申请人的“动态控制步骤”，
图3示出了Q-H图中“动态控制步骤”的流程，
图4在Q-H图中示出了根据本发明的方法的流程，
图5示出了用于解释根据本发明的方法的其他图表图示，
图6示出了具有绘制的激活的控制曲线和当前***阻力的Q-H图，
图7示出了具有经降低的控制曲线的Q-H图
图8示出了具有经增高的控制曲线的Q-H图，
图9示出了根据本发明的方法的模拟结果的图表图示，和
图10示出了根据本发明的方法的另外的模拟结果的图表图示。
具体实施方式
现有技术中已知的“动态控制”功能，即稳态运行点的检测和随后的转速降低，迄今为止仅用于在降低周期期间节能。但是，此外它还提供关于***特性曲线的信息。而此信息尚未被使用过。根据本发明的方法的功能恰恰以此为出发点，在下文中也表示为“高级动态控制”，其中利用该功能而引入优化过程以适配由泵的泵控制所使用的激活的控制曲线。根据本发明的方法的基本思想是：使用关于在降低周期期间所确定的***特性曲线的信息，以持续优化所调整的额定值，所述所调整的额定值确定了激活的控制曲线。
为了解释而参照图3。该图示出了Q-H图。附图标记12表示泵特性曲线，附图标记11表示最小液压***阻力特性曲线。实线10示出了“动态控制”功能的行为。它与图2所示的流程相同，但并非作为时间序列，而是以输送流量-输送扬程的图表的形式。算法从点1开始。只要流量保持在极限Qtolerance之内，转速就被降低和并且由此使得输送扬程H也降低。由于加热回路循环的恒温阀同时打开，因此输送流量Q保持恒定，直到这些恒温阀被完全打开。
转速的进一步降低以及由此输送扬程的进一步降低现在不再能够通过恒温阀而得以补偿，从而使输送流量Q也降低(点2)。一旦极限Qtolerance被突破，算法就会切换回静态控制曲线3，并且该方法从头开始。
从图3中可以看出，当恒温阀完全打开时，即当运行点位于最小***特性曲线11时，极限Qtolerance恰好被突破。如果泵处于这种状态，则执行计算：
Figure BDA0004113731580000061
该计算得到最小液压阻力系数ζ，能够以所述最小液压阻力系数充分描述最小***特性曲线11。
本发明的“高级动态控制”思想在于，随着每个下降周期而更贴近地接近于最小***特性曲线11但不达到所述最小***特性曲线11。这在图4中阐明，图4在输送流量-输送扬程图中示出了根据本发明的“高级动态控制”功能的行为。该算法在具有最高输送扬程的第一周期的起点开始。只要流量保持在极限Qtolerance之内，转速就被降低，因此输送扬程H也被降低。由于加热回路循环的恒温阀同时打开，输送流量Q最初保持恒定，直到这些恒温阀完全打开。在达到最小***特性曲线11后，于是在进一步降低转速的情况下输送流量Q也减小，由此使得该泵识别出达到最小***特性曲线11。
如下文还要详细解释的，本发明然后迭代地优化额定值，该额定值定义泵的主动控制曲线。为此参见图1，该图示出了多个比例压力控制曲线。这些控制曲线中的每一条都通过其额定值而被清楚地标识。通过适配额定值，该泵在该方法的下一个迭代步骤中因此以作为新起点的经减小的输送扬程而开始。
由用户设置默认额定值。该方法可以分为三个步骤，这三个步骤然后可以被迭代地执行。
步骤1：借助“动态控制”查找出***阻力
首先，泵以选定的默认额定值和经典的“动态控制”来运行。但是，泵在下降周期开始时存储***阻力ζdefault。同时记录：在下降周期期间出现了怎样的最小***阻力ζminimum。与图5相比较，尤其是与图5c相比较。
如果ζminimum和ζdefault大致相同，那么***阻力并没有通过所述降低而发生了改变。如果ζminimum小于ζdefault，那么这些恒温阀在转速降低期间已打开。
步骤2：查找出新的额定值
泵评估：***阻力在上一个下降周期期间发生了怎样的变化。如果ζminimum与ζdefault之比很小，恒温阀在下降周期期间已经明显打开。这表明：泵的默认额定值设置得过高。在这种情况下，由控制器降低额定值。
另一方面，如果ζminimum与ζdefault之比很大，那么尽管输送扬程降低但是阀门几乎没有打开。这表明：针对该应用的默认额定值设置得非常低。在这种情况下，由控制器提高额定值。
能够设置如下阈值，自这些阈值起，ζminimum与ζdefault之比被评估为小或大。为此，定义了以下参数：
Figure BDA0004113731580000071
如果出现应降低额定值(ζminimum/ζdefault＜thresholdForReduceSetpoint)的情况，则采取如下行动：
-ζminimum和ζdefault之间的差ζΔζ＝ζdefault-ζminimum)被确定。
-在所设置的控制曲线中可能出现的最高运行点处确定***阻力ζ。在图6的示例中，激活具有的额定值为60％的控制曲线。在最高运行点的相应阻力值用ζ60％来表示。
-该阻力值ζ60％在考虑可调整的因子的情况下现在减少了差值Δζ，特别是根据以下等式：
ζnew＝ζ60％-Δζ/newSetpointReduceFactor，
其中，newSetpointReduceFactor可以是可调整的参数，例如2。
-在下一步骤中，然后寻求适当的额定值，该额定值导致通过***特性曲线ζnew与泵特性曲线12的这个新交点的控制曲线。在图7的示例中，这是针对额定值40％的控制曲线。
-然后针对泵的常规比例压力控制而激活这个额定值值为40％的控制曲线。
如果出现应提高额定值(ζminimum/ζdefault＞thresholdForIncreaseSetpoint)的情况，则采取如下行动：
-将当前存在的额定值(例如60％)提高出可预先配置的固定值increaseSetpoint
-计算出值ζnew＝ζ60％+increaseSetpoint
-查找出由ζnew定义的***特性曲线与泵特性曲线12的交点。
-查找出如下额定值，该额定值导致通过该交点的控制曲线(在图8的示例中，这是针对额定值80％的控制曲线)。
步骤3：重复步骤1和步骤2。然后迭代找到最佳额定值。
补充性地，应该再次依照所执行的模拟而阐明根据本发明的方法。为此，在现有的建筑模拟环境中使用Matlab/Simulink实施并测试了根据本发明的方法。在这种情境中，建筑物需要4.5m3/h的体积流量以达到所需室温。由恒温阀调准该体积流量。作为简化，最初假设只有一个恒温阀。
泵最初设置为10％的额定值。这对应于非常小的控制曲线。图9示出了输送流量Q(图9a)、输送扬程H(图9b)、通过该方法优化的额定值(图9c)和阀门开度(图9d：0％表示关闭，100％表示完全打开)。
可看出：在模拟开始时阀门完全打开。在模拟开始不久后，开始步骤1(动态控制)，并且输送扬程缓慢下降。由于阀门已经完全打开，它不能再保持输送流量恒定。输送流量同样下降，并且出现供应不足。大约7小时后，第一个动态控制周期结束，然后是步骤2(查找出新的额定值)。泵识别出：马上发生供应不足，因此迄今为止所选择的额定值“10％”太小。因此，现在设置更高的额定值“16％”。该额定值导致与先前额定值“10％”相同的结果，从而在第二个动态控制周期之后，额定值再次提高到21％，并且在第三个周期之后提高到24％。
通过将额定值提高到24％，阀门的开度降低到92％(参见25小时后)。这意味着：从此开始不再有供应不足，阀门可以通过增大开度来补偿输送扬程的降低，从而使流量保持恒定。因此，找到了最佳额定值。通过进一步的动态控制周期，最佳额定值不再显著变化，而是围绕大约为24％的最佳值左右振荡。
图10中示出了另一个模拟结果的相应图表表示。模拟条件与图9的模拟基本一致，唯一的区别是：默认设置的额定值在本示例中最初为60％。
在模拟开始时，阀门的开度为82％。这意味着额定值“60％”被选择得相当高。泵通过降低输送扬程开始步骤1(动态控制)。阀门同时打开，从而保持输送流量恒定。在此，泵识别出：阀门仍在可控范围内，并在步骤2中将额定值降低至55％。这种降低周期性地进行，直到泵再次达到约24％的最佳额定值范围。然后泵识别出：阀门几乎完全打开并且不再进一步降低额定值。
通过这些模拟表明了：该泵总能找到最佳额定值，在所述最佳额定值的情况下该泵以低功耗工作，同时保证最高的供应安全性。

Claims (12)

1.一种用于控制液压***，特别是供热***中可变转速循环泵的方法，其中，所述方法包括：
i.根据所存储的控制曲线控制所述循环泵的转速，
ii识别出是否存在所述液压***的稳态运行点并计算出初始***阻力，
iii.如果存在稳态运行点，则降低泵转速直到达到最小***曲线并计算出最小***阻力，
iv.基于所确定的初始***阻力和最小***阻力的比较而适配用于所述循环泵的转速控制的控制曲线。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如果输送流量不超过所限定的极限偏差，特别是在所限定的时间段t所确定的输送流量在输送流量的所限定的范围ΔQ内，则识别出稳态运行点，其中所述范围ΔQ对应于所限定的极限偏差。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，降低所述转速直到输送流量超过所限定的极限偏差或在所述范围ΔQ之外。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，确定初始***阻力与最小***阻力之间的阻力比，并且如果所述阻力比小于第一极限值则降低所述控制曲线，并且如果所述比率大于第一极限值或大于第二极限值则升高所述控制曲线。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一极限值在0.85至0.95之间，特别是大约为0.9，并且所述第二极限值在0.95至1之间，特别是大约为0.98。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，特别是在考虑可调整的因子的情况下，根据所计算出的初始***阻力和最小***阻力之间的差值降低所述控制曲线。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，计算出针对借助所述控制曲线可达到的最高运行点的***阻力，以所计算出的差值减小所述***阻力，特别是在考虑到所述因子的情况下减小所述***阻力，并且与经减小的***阻力相适配地确定经降低的控制曲线。
8.根据权利要求4至6中任一项所述的方法，其特征在于，为了升高所述控制曲线，计算出针对借助所述控制曲线可达到的最高运行点的***阻力，以可预先限定的量值提高所述***阻力，并且与经提高的***阻力相适配地计算出新的、经升高的控制曲线。
9.根据权利要求6或7中任一项所述的方法，其特征在于，通过当前控制曲线与泵特性曲线的交点确定针对借助所述控制曲线可达到的最高运行点的***阻力。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，迭代地执行所述方法以优化所述控制曲线。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述控制曲线是用于比例压力控制的控制曲线。
12.一种循环泵，特别是供热循环泵，所述循环泵具有控制单元，其被配置为执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。
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