模糊控制下新型二次供水设备的动力匹配

排 非,吴 立

(1.太原市汾源供水设备有限公司，山西 太原 030027；2.太原科技大学，山西 太原 030024)

0 引言

基于我国人口数量众多的基本国情之一和土地合理使用化的方略，高层小区广泛出现，用水供水问题逐步增多，因此不仅需要增加一个二次供水增压设施来解决问题，而且还需要将设施不断地改进。新型伺服直驱式二次供水设备在模糊控制器和伺服电机控制的立式多级离心泵的加持下，既可以根据楼层高低和相应用户用水的不同情况，做出合理而又切实的供水调整，又可以实现伺服电机最大效率投入使用[1-2]。

下文中介绍了新型伺服直驱式二次供水设备如何根据立式多级离心泵的转矩选择合适的伺服电机进而保证用水高峰期时高层住户的供水压力与流量需求。此外，还介绍了模糊控制器的设计和模糊控制方法在新型伺服直驱式二次供水系统中的应用。

1 新型伺服直驱式二次供水设备的动力选配

1.1 立式多级离心泵结构及工作原理

立式多级离心泵由叶轮、泵体、转动轴、轴承、密封环、填料函这六部分组成。立式多级离心泵在本文的设计中主要用于高层增压供水。

立式多级离心泵的主要工作原理为：伺服电机通过联轴器的转动轴带动离心泵的叶轮高速旋转，叶片间的流体随之转动。流体受离心力作用，向叶轮外围运动并获得能量(此时叶轮中心会形成一定真空，水流会源源不断吸入叶轮中)，至叶轮外围时被泵壳挡住并汇集其中，最后泵壳将流体的动能转化为静压能以较高的压力排出。

如果离心泵在启动前壳内充满空气，由于密度原因，导致离心力较小，叶轮中心无法形成足够大的真空，流体则不能压入水泵。为防止此情况出现，离心泵启动前要用外来的液体将泵壳内空间灌满。

1.2 立式多级离心泵转矩仿真分析和伺服电机的选型

转矩的测量对传动轴载荷的确定与原动机型号的选择等都具有重要的意义。运用Fluent仿真软件，对离心泵的转矩特性进行仿真研究和数据分析，从而选择合适的伺服电机作为新型伺服直驱式二次供水设备的原动机[3-5]。

该离心泵在实际运行中会遇到多种工况，如表1所示，选择了比较有代表性的两种工况。

表1 离心泵实际运行工况表

通过以上数据并观察离心泵的转矩情况，对离心泵模型进行相应条件下的流体动力学数值分析和Fluent仿真处理后分析，并依据出口流量公式计算分别得出工况一、二水口流量约为15.90 m3/h，7.56 m3/h和离心泵转动轴的转矩为24.6 N·m，11.3 N·m，接近实际出水口流量[6-7]。

为了匹配合适的伺服电机，在两种工况下，改变转动轴的转速，分别测量各个转速下的转动轴转矩的大小以及出水口流量，找出离心泵转速与转矩关系，得到图1。

如图1所示，由转速和转矩的线性关系可得：离心泵达到最高转速3 000 rpm时，转矩达到的最大值为24.6 N·m。又查得EHS100-T4-26D的额定扭矩为26 N·m，故选择该型号的伺服电机。

2 模糊控制器在供水设备中的应用

2.1 模糊控制系统结构与工作原理

模糊控制系统一般由模糊控制器、执行机构、被控对象、传感器组成。其工作原理为：传感器接收到模拟信号，然后反馈到A/D转换模块，A/D转换模块将模拟信号转换成模糊控制器可识别的数字信号，模糊控制器计算处理这些信号以后，得出相对应的控制信号，再经过D/A转换模块转换成执行机构能够识别的模拟信号，最后控制被控对象。其模糊控制工作原理图如图2所示，其中虚线部分所包含的模糊控制器是整个控制系统的核心。

2.2 模糊控制器的设计

2.2.1 模糊控制器的结构

模糊控制器的输入变量有三个：误差E，误差变化率EC，误差变化的变化ΔEC。由于研究的新型伺服直驱式二次供水设备需要较好的实时性和较快的响应速度，因此模糊控制器选用二维模糊控制器，并以出水口流量的误差E和误差变化率EC为输入变量，以伺服电机的转速为输出变量U。

2.2.2 模糊控制器的过程

1)由于传感器的测量值以及伺服电机的转速都是数值变量，要想得到语言变量，就需要对输入和输出变量进行模糊化处理。

2)模糊控制规则的建立：它是模糊控制器设计中关键的一步，系统的运行行为准则完全取决于模糊控制规则，所以在设计时需要根据系统实际的运行状况，文中选取“三角形”隶属度函数作为模糊控制器的隶属度函数，在经过模糊化处理后，论域为[-6，6]，而七个模糊子集为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，从而得到输入量隶属度关系和各个状态下的模糊子集。得到的输入量隶属度函数赋值结果和输出量隶属度函数赋值结果在模糊控制中输入输出变量的隶属度函数确定后，设定模糊控制规则。根据这个规则和具体工况来控制之前匹配的伺服电机，保证用户正常用水。

3)在模糊控制规则库建好之后，将模糊的输出量，在模糊控制器中采用最大隶属度法，转换为清晰的确定量，而后实际有误差的工况下，模糊控制器根据输入的不同流量误差与流量变化率情况，将对应输出不同大小的转速，进而控制伺服电机，实现调压供水功能，这就充分体现了模糊控制较好的容错性。具体控制情况见表2。

表2 不同工况控制规则表

3 新型伺服直驱式二次供水设备匹配动力的性能测试

在山西省太原市汾源设备有限公司厂房内进行模拟试验研究。测试实验现场如图3所示。

测试实验中，通过模糊控制系统设置以上两种工况的压力情况，通过改变离心泵转速，观察并记录出水口流量数据以及伺服电机上的其他相关参数。具体模拟测试数据如表3所示。

表3 离心泵性能测试数据表

在工况一的情况下，转矩达到最大值23.9 N·m，与仿真结果24.6 N·m相近，也不超过该型号伺服电机额定转矩26 N·m。证明该型号伺服电机满足新型伺服直驱式二次供水设备的极限工作需求[8-10]。通过仿真、测试、计算分析，在不同转速条件下对离心泵的转矩以及流量等性能参数进行了测试实验，验证了离心泵和伺服电机匹配的准确性和模糊控制系统的实用性。

4 结语

文中介绍的新型伺服直驱式二次供水设备，是在之前二次供水设备的基础上改进和提升。它采用了立式多级离心泵及其相匹配的伺服电机，在模糊控制规则的控制和调整下可以根据在不同的情况下，很好的满足高层小区各用户的用水需求，具有较好的容错性和适应性。在山西省太原市汾源设备有限公司厂房的实验中，相对于之前二次供水设备而言，运行响应速度快、实时性强、实际效果更好，是二次供水领域的又一大进步。