用于泵差动压力和流量的3D无传感器转换方法和设备与流程

本PCT申请要求于2013年11月27日提交的序列号为14/091,795专利的权益，该专利要求于2013年3月1日提交的申请号为61/771,375的临时专利的权益，其两者通过整体引用包含于此。

本申请还涉及如下申请：

于2010年12月30日提交的题目为“Method and apparatus for pump control using varying equivalent system characteristic curve,AKA an adaptive control curve”序列号为12/982,289(Atty Dckt第911-019.001.1//F-B&G-1001号)的美国申请。

于2012年12月17日提交的题目为“Dynamic linear control methods and apparatus for variable speed pump control”序列号为13/717,086(Atty Dckt第911-019.004.2//F-B&G-X0001号)的美国申请，其要求于2011年12月16日提交的申请号为61/576,737现在被放弃的美国临时申请的权益；

于2013年3月19日提交的题目为“Mixed theoretical and discrete sensorless converter for pump differential pressure and flow monitoring”申请号为61/803,258(Atty Dckt第911-019.0010.1//F-B&G-X0007号)的美国临时申请；

于2013年7月25日提交的题目为“Sensorless adaptive pump control with self-calibration apparatus for hydronic pumping system”申请号为61/858,237(Atty Dckt第911-019.012.1//F-B&G-X0010US号)的美国临时申请；

这些都被指定给本专利申请的受让人，并且通过整理引用它们而并入。

本申请建立在前述相关申请中公开的技术的族群上。

技术领域

本发明涉及以一种用于控制泵的操作的技术；更具体地，本发明涉及一种用于控制例如用于家庭和商业加热或冷却水系统的泵的方法和设备。

背景技术：

通过示例，图1(a)示出了现有技术已知的二级变速泵控制液体循环(hydronic)加热和冷却系统，图1(b)示出了现有技术中同样已知的水增压泵送系统。最近，关于在这种泵送系统中的能量节约以及保护环境的问题已经被显著地解决。越来越多的关注被放在液体循环泵控制应用，包括用于家庭和商业加热和冷却水泵或循环系统、水增压泵送系统等泵控制，如在图1(a)和1(b)中示出的那些，其具有其本质上可能是动态且未知的特征。为了减少能量消耗和操作成本，已提出了一些已知的自适应控制方法。

此外，前述于2010年12月30日提交的序列号为12/982,286的美国专利申请(Atty Dckt第911-019.001.1//F-B&G-1001号)公开了针对液体循环加热和冷却泵送系统以及针对水增压泵送系统的自适应控制方案，与在图1(a)和图1(b)中示意性示出的一致。在图1(b)中，液体循环泵送系统包括控制器和泵，泵被设置为与具有配置在其中的止回阀的处理管相关。在操作中，泵对来自控制器的控制信令做出响应，并且泵送流体通过处理管。图1(c)示出了具有使用已知系统曲线等式绘制的具有各种函数的曲线图，系统曲线等式例如包括泵曲线、即时系统曲线、恒定控制曲线、等价系统曲线(如所设计的)、自适应控制曲线和分配损失曲线。关于要求的流率Q*的压力设定点P*可以通过等式计算和/或确定，其中，自适应控制曲线可以通过流体运动等式与滑动平均滤波一起获得。通过该自适应方法，用于获得压力设定点的自适应控制曲线更靠近表示需要保持所需流率的最小压力的等价系统曲线，与图1(c)示出的一致。由于此，泵送系统操作能量可以通过使用该自适应方法而被节约。

此外，针对使用基于马达读出信号获得系统压力和流量的无传感器泵转换的技术在现有技术中已知。然而，目前呈现的已知的无传感器模型或在1D空间或在2D离散空间中公式表达，这使得就算法开发和信号转换准确性而言从马达速度和功率获得马达压力和流率是困难的。

一些已知的方法可以用于无传感器转换，包括利用与数值方案一起的泵和系统液体循环数据而被校准的离散模型。这种离散无传感器建模方法简单直接。转换准确性可以良好地保持在小于5-10％误差边界内。另一方面，还存在一些基于泵和系统特征等式的理论方法以用于一些简单并且容易的泵控制应用，其中不要求对于泵控制的准确的流量和压力并且不提供校准传感器。作为折中，流量和压力转换准确性可能低至大于10-15％的误差边界。然而，流量和压力转换准确性可能以低速非常快地劣化。

技术实现要素：

总之，本发明提供一种被开发以关于基于泵和马达校准数据的马达信号来获得针对动态液体循环泵送系统的系统流量和压力的3D无传感器装置和转换器。系统压力和流量可以从任意一对马达读出信号(诸如速度、电流、扭矩、功率等)在三维空间公式中直接解出。

通过示例，并且根据一些实施例，本发明可以采用诸如泵控制器之类的设备的形式，其特征是信号处理器，信号处理器被配置为至少：

接收包含关于针对液体循环泵送系统的校准的马达速度和功率数据的信息的信令，以及

至少部分基于接收的信令，使用三维无传感器模型或算法确定与等价液体循环系统特征变量相关联的系统泵送流率和压力。

本发明的实施例还可以包括一个或多个以下特征：

信号处理器可以被配置为提供包含关于与确定的等价液体循环系统特征变量相关联的系统泵送流率和压力的信息的相应的信号。

相应的信令可以包含用于控制液体循环泵送系统的信息。

信号处理器或处理模块可以被配置为至少部分基于处理与校准的马达速度和功率数据相关的信号，使用三维无传感器模型或算法来确定系统泵送流率和压力。

信号处理器或处理模块可以被配置为至少部分基于处理与在液体循环泵送系统中从泵或驱动到马达的液体循环、机械和电参数之间的功率转换关系相关的信令来实施三维无传感器模型或算法。

信号处理器或处理模块可以被配置为可以至少以下步骤中的一些组合来实施三维无传感器模型或算法：

处理与等式1有关的信令：

γ(P,Q,W,n,Cv)＝0 (1)

其中γ表示从泵到马达驱动的液体循环、机械和电之间的功率转换关系；

处理、解耦和重映射与前述等式(1)的能量转换函数相关的信令，采用等式(1)以关于马达速度和等价系统特征来直接公式表达相应的系统流率、系统压力或系统差动压力、马达功率的函数；

处理与被表示并且被解出用以在给定马达速度和功率下产生与未知系统特征相关联的泵送流率和压力的重建3D函数相关的信令；

处理与由等式2.1、2.2和2.3表示的关于马达功率和速度的马达功率、泵流率和泵差动压力的相应的3D重建分配函数相关的信令，等式2.1、2.2、2.3如下：

w(W,n,CV)＝0 (2.1)，

g(Q,n,CV)＝0 (2.2)以及

p(P，n,CV)＝0 (2.3)，

其中，w、g和p是马达功率W、系统流率Q和泵差动压力P关于马达速度n和等价系统特征变量CV的函数；

处理与关于从泵送系统获得的马达速度和等价系统特征的系统流量、泵差动压力和马达功率的3D离散解耦和重映射的分配函数相关的信令；

针对一对在即时时间给定的W和n马达读数处理并获得与前述等式2.1中的未知等价系统特征变量CV相关的信令；

处理并获得与直接来自等式3.1和3.2的泵差动压力P和流率Q相关的信令，等式3.1、3.2如下：

以及

其中是w的逆重映射功率函数；

直接以针对液体循环系统CV的马达功率W和马达速度n的给定对处理并获得与泵差动压力P和流率Q相关的信号。

设备可以进一步包含包括计算机程序代码的至少一个存储器；所述至少一个存储器和计算机程序代码被配置为通过至少一个处理器使得设备至少执行以下操作：

接收信令；以及

至少部分基于接收的信令，使用三维无传感器模型或算法来确定与等价液体循环系统特征变量相关联的系统泵送流率。

设备可以包括泵控制或控制器或采用泵控制或控制器的形式，泵控制或控制器包括PID控制，其具有信号处理器或信号处理器模块。

根据一些实施例，本发明可以采用方法的形式，方法包括用于在信号处理器中接收包含关于针对液体循环泵送系统的校准的马达速度和功率数据的信息的信令，以及至少部分基于接收的信令，使用三维无传感器模型或算法在信号处理器中确定与等价液体循环系统特征变量相关联的泵送流率和压力。

本发明还可以例如采用计算机程序产品的形式，计算机程序产品具有计算机可读介质，计算机可读介质具有嵌入其中的计算机可执行代码以用于例如当运行在形成这种泵控制器的部分的信号处理装置上时执行方法。通过示例的方式，计算机程序产品可以例如采用CD、软盘、记忆棒、记忆卡的形式以及现在已知或者将来进一步开发的可以将计算机可执行指令存储在这种计算机可读介质上的其他类型或种类的存储装置。

附图说明

附图包括以下图示，其不一定按照比例绘制；

图1包括图1a、图1b和图1c，其中，图1a是现有技术中已知的二级变速泵控制液体循环加热或冷却系统的视图；图1b是现有技术中已知的水增压泵送系统的视图；并且图1c是与现有技术一致的、与用于基于其中在流率Q^*下节省的液体循环功率＝dP*Q^*的自适应控制曲线执行自适应控制技术的脚头部压力相关的流量的曲线图(GPM)。

图2是根据本发明的一些实施例的具有被配置为实施信号处理功能的信号处理器的设备的框图。

图3是针对如在图1b中示出的液体循环泵送系统的系统压力和流率与马达电功率和速度的转换的模型。

图4是流率Q(gpm)对压力P(Ft或psi)的曲线图，具有在平衡点处在与系统特征曲线平衡的给定速度下的泵差动压力曲线。

图5包括图5a、图5b、图5c，分别示出关于马达速度和等价系统特征的系统流率、泵差动压力、马达功率的3D离散分布函数。

图6是流率(gpm)对差动压力(psi)的曲线图，示出关于马达速度的来自转换器(虚线)和传感器(实线)的泵差动压力和流率的读数的比较。

具体实施方式

3D离散无传感器转换

本发明提供一种新的并且独特的3D离散无传感器转换装置或技术，其被开发以获得关于基于泵和马达校准数据的马达信号的针对动态液体循环泵送系统的系统流量和压力。系统压力和流量可以通过任意一对马达读出信号(诸如速度、电流、扭矩、功率等)直接并且更准确地解出。

通过示例，图2示出了根据本发明的一些实施例整体上指示为10的设备，其包括与其它信号处理器电路和元件14结合的信号处理器或信号处理模块12。信号处理器12可以被配置为根据本发明的一些实施例实施信号处理功能。

在操作中，信号处理器12可以被配置为至少：

接收包含关于针对液体循环泵送系统的校准的马达速度和功率数据的信息的信令；以及

至少部分基于接收的信令，使用三维无传感器模型或算法来确定与等价液体循环系统特征变量相关联的系统泵送流率和压力。

通过示例，信令可以从例如形成存储模块的部分的存储的数据库接收。校准的马达速度和功率数据可以通过例如在实地测试期间处理从特定马达接收的并且从像图1b中所示的要被控制的离心泵接收的相关联的信令而被确定。可选地，校准的马达速度和功率数据可以通过处理从在例如在由工厂或制造厂的制造者测试的一系列或一组泵中的代表性马达中接收的相关信号并且形成例如被存储在马达、泵或泵控制器中的存储模块中的所购买的马达的部分或合并到该马达中。本发明的范围不旨在限定如何确定校准的马达速度和功率数据或校准的马达速度和功率数据是否特定于给定的马达或一组或一系列马达等。

信号处理器12还可以被配置为提供包含关于确定的系统泵送流率和压力的信息的相应的信号，例如，以便控制一个或多个图1a中示出的泵或图1b中示出的离心泵。

通过进一步的示例，设备10可以采用图1a中所示的泵控制器或图1b中示出的控制器的形式，或形成图1a中所示的泵控制器或图1b中示出的控制器的部分。本发明的范围旨在包括例如图1a和图1b中示出的液体循环泵送系统的一个或多个元件，并且实施例被预想为设备10采用例如图1a和图1b中示出的液体循环泵送系统的一个或多个元件的形式。

信号处理器或处理模块可以被配置为至少基于如下阐述来实施用于实施本发明的(例如与图2中示出的一致的)三维无传感器模块或算法和与其相关的信号处理：

图3示意性地示出在系统压力或泵差动压力与流率P和Q之间的能量转换的模型，流率P和Q与在泵的排出部分的等价液体循环系统特征变量Cv以及在任意时间处的马达驱动的另一端部的马达功率W和速度n相关联。

图4示出了关于马达速度和功率W的泵和系统液体循环特性，其示意性地显示给定速度下的泵差动压力曲线和在平衡点处与系统特性曲线相交或平衡的功率。相应的数学表达式可以如下面等式1所呈现的：

γ(P,Q,W,n,Cv)＝0 (1)

其中γ表示从泵到马达驱动的液体循环、机械和电之间的功率转换关系，其本质上在一定程度可能是复杂的，因为马达和泵效率关于马达速度、系统压力和流率变化。

根据本发明的一些实施例，通过解耦和重映射等式1的能量转换函数的3D分配方式可以被采用以关于马达速度和等价系统特征直接公式表达相应的系统流率、系统压力或泵差动压力、马达功率的函数。表示的重建3D函数然后可以被解出以至少部分地基于测量的泵和马达校准数据来在给定的马达速度和功率下产生与任意未知系统特征相关联的泵流率和压力。关于马达功率和速度的马达功率、泵流率以及泵差动压力的相应的3D重建分配函数可以通过等式2.1、2.2和2.3相应地表示，如下：

w(W,n,CV)＝0 (2.1)，

g(Q,n,CV)＝0 (2.2)以及

p(P，n,CV)＝0 (2.3)，

其中，w、g和p是马达功率W、系统流率Q和泵差动压力P关于马达速度n和等价系统特征变量CV的函数。系统流量、泵差动压力、马达功率关于从实际泵送系统获得的马达速度和等价系统特征的3D离散解耦和重映射分配函数分别在图5的3D分布函数中示出。

对于一对在即时时间给定的W和n马达读数，等式2.1中的未知等价系统特征变量Cv可以以数值方式获得。泵差动压力P和流率Q可以然后直接从如下等式3.1和3.2中获得：

以及

其中是w的逆重映射功率函数。然后可以直接通过针对液体循环系统Cv的马达功率W和马达速度n获得泵差动压力P和流率Q。

根据本发明的一些实施例的针对泵差动压力和流率的3D无传感器转换已经被开发并且在闭环液体循环系统中测试。图6中示出了相应地关于马达速度的来自转换器(虚线)和传感器(实线)的相应地绘制的泵差动压力和流率读数的比较。

通过仪器校准

等式3中的泵差动压力数据可以被用于闭环系统，因为通过系统消耗的所有的能量来自仅与泵差动压力相关的系统动态摩擦损失。通过示例，差动压力传感器或压力传感器与流量传感器一起可以被用于收集泵送系统校准数据。

针对具有静态抽吸压力的开环系统，在实地校准的系统压力数据可以被直接采用。针对具有变化的抽吸压力的开环系统，在泵抽吸侧的压力传感器或在泵处的差动压力传感器可以被用于校准由抽吸压力所导致的压力和流率。

设备10

通过示例，设备10的功能可以使用硬件、软件、固件或其组合而实施。在典型的软件实施中，设备10可以包括一个或多个基于微处理器的架构，其具有例如至少一个类似信号处理器或微处理器的元件12。本领域技术人员将能够在有限次实验的情况下对这种基于微控制器(或微处理器)的实施进行编程以执行这里描述的功能。本发明的范围不旨被限定于使用当前已知或今后开发的技术的特定实现方式。本发明的范围旨在包括将处理器12的功能实现为独立处理器或处理器模块、分开的处理器或处理器模块以及其一些组合。

设备还可以包括其他信号处理电路或元件14，例如包括类似元件14的随机存取存储器(RAM)和/或只读存储器(ROM)，输入/输出装置和控制，以及连接到其的数据和地址总线，和/或至少一个输入处理器和至少一个输出处理器。

可能的附加应用/实施例

根据本发明预想实施例，并且本发明的范围旨在包括例如采用针对泵差动压力和流量的3D无传感器转换装置和设备的形式的设备，包括以下中的一个或多个：

3D数值无传感器转换器，例如，其基于泵和马达校准数据产生与关于马达速度和功率读出信号的未知系统相关联的系统流率和泵差动压力。系统压力和流量可以被直接解出，并且更为准确地，根据诸如速度、电流、扭矩、功率等的任意一对马达读出信号而被解出。

多个相关3D函数，如在图2和图3中表示的并且在图5中图示的例如马达功率、泵差动压力和流率。

任何或所有潜在3D离散数字重映射方法，例如诸如2D差值、2D样条曲线等。

任意或所有潜在2D或3D离散或数值逆运算方法，例如诸如1D或2D直接逆运算、最小化、单形等。

任何或所有闭环或开环液体循环泵送系统，例如诸如主泵送系统、二级泵送系统、水循环系统和增压系统。这里提及的系统可以包括单个区域或多个区域。

关于泵校准数据，例如针对这种设备中的闭环液体循环系统的泵差动压力和流率数据，因为由系统消耗的所有能量来自系统动态摩擦损失，其仅与泵差动压力有关。校准数据可以包括系统压力数据或泵排出部分压力和相应流率。

关于泵校准数据，例如针对这种设备中的开环液体循环系统，关于相应马达数据的泵差动压力或系统压力和流率。针对具有静态抽吸压力的开环系统，系统压力数据和流率可以在实地直接获得。然而，针对具有变化抽吸压力的开环系统，在泵抽吸侧的一个压力传感器或在泵处的差动压力传感器可以被用于校准由于抽吸压力导致的压力和流率。

关于针对这种设备的测量的马达数据，例如诸如马达速度、电流、扭矩、功率等的任何对潜在马达电或机械读出信号可以被包括。

关于这种设备的液体循环信号，例如系统压力、泵差动压力、区域压力、系统流率、区域流率等可以被包括。

关于传输和接线技术的控制信号，例如当前使用的所有传统的感测和传输装置。优选地，无线传感器信号传输技术将是优化的并且有利的。

关于前述针对液体循环泵送系统的泵，例如单级泵、循环器、一组平行套泵或循环器、一组串联套泵或循环器或它们的组合可以被包括。

关于系统流量调节，例如手动或自动控制阀、手动或自动控制循环器或它们的组合可以被包括。

本发明的范围

应该理解，除非这里另外陈述，否这里关于特定实施例描述的任意特征、特性、可选例或变型也可以与这里描述的任意其他实施例施加、使用或合并。并且，这里的附图并非按比例绘制。

尽管本发明通过关于离心泵的示例进行描述，但是本发明的范围旨在包括使用关于现在已知或者将来将开发的任意类型或种类的泵。

尽管本发明已经关于其示例性实施例被描述和显示，但是在不脱离本发明的精神和范围的情况下其中可以进行并且对其进行前述和各种其它附加和省略。