本发明属于过程控制领域，具体涉及一种流量控制系统及控制方法，实现流量控制系统的高效运行。
背景技术：
流量调节控制在化工、食品、医药、供水等领域具有广泛的应用。早期流量控制主要通过调节控制阀门的开度开对输出流量进行调节，但存在能耗高、调节范围不大等不足。当前主要采用调速泵的方案实现输出流量的调节，其原理主要通过检测输出流量与设定流量之间的偏差，并对该偏差进行反馈补偿控制算法，进而调节变频器的输出频率，改变泵的转速，实现输出流量的稳定控制。然而，由张承慧等在控制理论与应用期刊中发表的《变频调速给水泵站效率最优控制策略》一文可知，泵存在一个由扬程特性曲线、相似工况抛物线组成的高效运行区间。泵运行于此区间，能实现高效运行；否则，泵运行效率和寿命将大大降低。在化工、食品、医药等过程控制领域，泵被广泛使用，使得效率哪怕仅仅提高1％，都会对节能和环保带来了巨大的利益。
然而，流量控制系统运行状态并不是恒定不变的，其输出流量和扬程在时间上具有时变性，不能保证泵始终运行在高效率区间。一方面，在化工，食品，医药、供水等领域，由于输送的液体长时间在管道中运行，可能会存在污垢沉积，致使整个管路有效截面积变小，管阻特性变差，在设定流量情况下，泵出口和管网压力急剧增大，致使泵运行状态发生变化，可能偏离高效区间；另一方面，由于流量控制系统液质可能输送到不同的容器中，导致其扬程发生变化，致使泵运行状态发生变化，可能偏离高效区间；再一方面，流量控制系统的输出流量受制于实际系统的工作状态或者工作阶段的不同而不同，致使泵运行状态发生变化，可能偏离高效区间；泵长时间处于非高效区间运行会导致变频流量控制系统的效率降低，甚至导致变频器及泵的过载/低频运行，增加了变频流量控制系统的故障风险。为了确保流量控制系统的高效运行，就必须对泵进行高效优化控制。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服上述不足之处，提出一种结构简单、适用性好的流量控制系统及控制方法。
本发明提供一种流量控制系统及控制方法，其步骤如下：
1)以采样周期Ts为间隔对流量控制系统的流量值和变频器的输出频率进行采样，并获取流量值q(k)和输出频率f(k)，其中k为采样次数；
2)由PID控制算法求出t＝kTs时刻变频器的输出频率值f(k)＝f(k-1)+Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]；
其中，e(k-1)、f(k-1)分别为t＝(k-1)Ts时刻的流量误差和变频器的输出频率；e(k-2)为t＝(k-2)Ts时刻的流量误差；
Kp、Ki和Kd分别为预先设定的PID算法中的比例系数、积分系数和微分系数；
流量误差e(k)＝Qset-q(k)；其中，e(i)|i＜＝0＝0；Qset为设定输出流量值；q(k)为采样次数为k时的流量值，f(k)为采样次数为k时变频器的输出频率值；f(i)|i＜＝0＝0；
3)并根据采样到的流量值q(k)和输出频率f(k)，建立由N个元素构成的流量值数组{q(i)}，以及变频器输出频率数组{f(i)}，其中i＝{k-N+1,k-N+2,...k}，N为预先设定的大于1的正整数，q(i)|i＜＝0＝0，f(i)|i＜＝0＝0；
4)获取流量值数组{q(i)}的平均值并判断流量控制系统是否处于相对稳定状态；
5)在确定流量控制系统处于相对稳定状态时，则判断是否成立，其中θ为设定正值，Qset为设定输出流量；
6)在确定不成立时，则视为当前工作的泵Mj最大扬程太小，j＝1，2，3，，令控制开关Sj＝0，控制Mj停止运行；同时，令控制开关Sj+1＝1，控制扬程大一级的泵Mj+1工作，j+1<＝3，更新k＝k+1；进行下一次采样，并标记输出流量值和变频器输出频率的采样值为q(k)和f(k)，重复以上步骤；
7)在确定成立时，则获取变频器输出频率的平均值
8)以此时刻标记为t＝0，给输出频率一个较小的扰动量ΔF，f(mTs)＝F+ΔF；
9)在t＝mTs时刻，采样流量值q(m)，得到Δq(m)＝q(m)-Q；
10)判断其中α为设定正值，若不成立，则更新k＝k+1；进行下一次采样，并标记输出流量值和变频器输出频率的采样值为q(k)和f(k)，并重复以上步骤；若成立，则判断δ为设定正值；
11)若不成立，则更新m＝m+1，并返回步骤9)，若成立，则获取时间常数τ＝mTs；
12)通过步骤11)中获取的时间常数τ，并通过获取压力
13)获取经过点r(Q，P)的泵Mj的Q-H扬程特性曲线j＝1，2，3；
14)获取泵Mj的Q-H扬程特性曲线对应的频率Fj；
15)获取泵Mj的Q-H扬程特性曲线与相似抛物线的交点aj和bj，j＝1，2，3；
16)计算满足条件的泵Mj的高效运行性能参数ψj，ψj为非负数，ψj为参数aj、bj和r(Q，P)与对应高效区间AjBjCjDj的函数；
17)求取ψi＝max{ψ1,ψ2,ψ3}对应的i，i＝1，2，3，控制器将对应的开关Si(t)＝1，Su＝0，u＝1,2,3∩u≠i，并更新k＝k+1；进行下一次采样，并标记输出流量值和变频器输出频率的采样值为q(k)和f(k)，并重复以上步骤。
所述高效区域AjBjCjDj为额定频率fN的扬程特性曲线HN、最低频率fmin的扬程特性曲线Hmin、相似工况抛物线li1、相似工况抛物线li2围成的扇环形区域
ψj为r(Q，P)到区域AjBjCjDj的几何中心点的距离的导数，其中j＝1，2，3。
ψj为r(Q，P)是否处于AjBjCjDj区域内及r(Q，P)到AjBjCjDj边界曲线的距离的加权函数，其中j＝1，2，3。
ψj为r(Q，P)是否处于AjBjCjDj区域内及r(Q，P)到aj、bj距离的加权函数，其中j＝1，2，3。
本发明具有如下有益效果：
一、本发明所述的流量控制系统及控制方法具有系统压力在线检测，无需压力传感器，节约了系统安装调试所需时间和成本，使得系统结构更加简单，系统成本更低；
二、本发明所述的压力在线检测方法具有算法简单、检测速度快，实用性强和可靠性高等优点；
三、本发明所述的流量控制系统及控制方法能在获取输出流量Q和扬程(或压力)P等数据的基础上，依据变频调速泵的扬程特性曲线具有平移特性，得到经过Q-H平面上点(Q,P)每台泵的扬程特性曲线，及该扬程曲线与相应的高效区间边界的交点。根据每台泵的高效区间与(Q，P)及交点之间的位置关系得到高效运行性能参数，进而基于效率最优原则智能切换到型号适当的泵Mi(i＝1，2，3)工作，确保系统高效运行，从而显著提高流量控制系统的工作效率；
四、本发明所述的流量控制系统及控制方法可广泛适用于采用变频调速泵的流量控制领域，具有广泛的通用性。这是因为压力P满足公式因而可以利用时间常数τ的值来计算压力P。该公式由参数Δq(t)、Q、ΔF、F、Tb、Pb、Vb、T和t确定压力P。其中：Δq(t)、Q、ΔF、F、Tb、Pb、Vb、T和t分别表示为频率ΔF扰动运行时流量偏离相对稳定值的波动量、相对稳定运行时流量、频率扰动增量、稳定运行时变频器输出频率、气压罐额定运行时标称温度、气压罐额定运行时标称压力、气压罐额定运行时标称体积、当前环境温度和时间变量。压力计算公式与电机具体参数无关，具有广泛的通用性。
附图说明
图1为流量控制系统的结构简图；
图2为流量控制系统扬程-管阻特性图。
图3为调速泵高效运行区示意图。
图4为泵运行区间示意图
图5运行点(Q,P)与M1高效区间位置关系示意图
图6运行点(Q,P)与M2高效区间位置关系示意图
图7运行点(Q,P)与M3高效区间位置关系示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例作进一步说明：
本发明提供了一种流量控制系统及控制方法，主要建立了流量控制系统的数学模型，并依据建立的数学模型和泵的Q-H扬程特性与相似工况抛物围成高效运行区域给出了控制方法。流量控制系统数学模型的建立过程如下：
流量控制系统简图如图1所示，主要包括液体源1、单向阀2、M1、M2、M3为输出流量范围相同扬程不同的泵，其相应的最大扬程分别为和(其中：)、M1控制开关S1、M2控制开关S2、M3控制开关S3、流量计3、气压罐4、变频及控制器5、温度传感器6等。图1中加粗线表示电源线，箭头方向表示功率传递方向。液体源1主要为液体介质，可以是水、油、化学溶液或其他液体；单向阀2主要功能是防止液体倒流；泵Mi(i＝1,2,3)通过叶轮片高速旋转将液体源中的液体输送到管道；开关Si(i＝1,2,3)控制Mi的是否运行；流量计3用于检测泵出口流量；气压罐4主要是稳定管网压力的功能；变频及控制器5主要实现相关参数的输入、运行状态的显示及系统控制程序的运行，调节泵转速，实现泵输出流量控制；温度传感器6用于检测系统当前温度。
变量说明如下：q(t)为泵出口流量；q2(t)为气压罐出口流量；p(t)为管网的压力值；f(t)为变频器输出频率；气压罐气室体积为v1(t)；气压罐气室压力pa(t)，气压罐液室体积为v2(t)，气压罐总体积为Vz，气压罐额定压力值Pb,气压罐气室额定体积Vb,气压罐额定温度Tb，环境温度为T(t)，t为时间变量,ρ为液体密度。
流量控制系统相对稳态时：管网压力值为P，变频器输出频率为F，进出液体流量为Q，环境温度为T，气压罐气室体积为V1，液室体积为V2，上述所有量的单位均为国际单位。定义t＝0时刻为系统以频率F稳定运行的最后时刻，即存在：
假设在(0,Td]时间内泵的运行频率为：f(t)＝F+ΔF，ΔF为频率扰动增量，通常情况下|ΔF|＜＜F；Td为预先定义的观测时间长度，为大于0的时间值，依据流量控制系统性能指标不同而人为确定；则压力值为p(t)＝P+Δp(t)，Δp(t)为ΔF引起的压力波动值；泵出口流量为q(t)＝Q+Δq(t)，Δq(t)为ΔF引起的泵出口流量波动值；气压罐出口流量为q2(t)＝Q+Δq2(t)，Δq2(t)为ΔF引起的气压罐出口流量波动值；由电机变频控制可知，泵的输出功率的关系为：
其中：方程左边的ρ×q(t)×p(t)为泵的轴功率；η为泵的效率；为电机的输出功率；s为转差率；R1,R2,X1σ,X2σ,m1,为泵电机的固有参数；
由于泵电机采用变频调速控制，所以s基本保持不变。令：
k只与电机本身结构参数有关，与流量、压力无关。所以公式(1)可简化为：
q(t)p(t)＝kηf(t)2/ρ (3)
令k'＝ηk/ρ。则在t＝0时，有：
QP＝k'F2 (4)
在t∈(0,Td]，将q(t)＝Q+Δq(t)，f(t)＝F+ΔF和p(t)＝P+Δp(t)代入公式(4)：
(Q+Δq(t))(P+Δp(t))＝k'(F+ΔF)2 (5)
展开(5),并整理得：
PQ+QΔp(t)+PΔq(t)+Δq(t)Δp(t)＝k'(F2+2FΔF+ΔF2) (6)
将(4)代入(6)可得：
QΔp(t)+PΔq(t)+Δq(t)Δp(t)＝k'(2FΔF+ΔF2) (7)
由于存在气压罐大惯性阻尼环节，则在t∈(0,Td]短时间内流量变化量Δq(t)引起的压力变化量Δp(t)很小，满足：
|Δp(t)|＜＜P (8)
所以整理(7)得：
QΔp(t)+PΔq(t)＝k'(2FΔF+ΔF2) (9)
将公式(9)除以(4)并考虑|ΔF|＜＜F，可得：
由于在t∈(0,Td]有|Δp(t)|＜＜P，即管网压力几乎保持不变，在管阻特性没有改变情况下，气压罐的出口流量变化量Δq2(t)≈0，即q2(t)≈Q。依据气压罐动力学方程有：在t∈(0,Td]，气压罐液室的体积变化量为：
所以，t∈(0,Td]液室体积为：
因为V保持不变，因而气室体积为：
在t∈(0,Td]时间内，环境温度保持不变，则由理想气体方程可知：
将(13)代入(14)并整理得：
令Δpa(t)＝pa(t)-pa(0)为气压罐气室压力变化量，则：
根据液压原理可知，管网压力变化量为：
将pa(0)＝P代入公式(17),可得：
联立(18)和(10)并整理得：
令：则有：y'(t)＝Δq(t)，因而有：y(0)＝0，对公式(19)整理可得：
对微分方程(20)整理并考虑ΔF＜＜F,2×ΔF＜＜F,可得：
求解(21)可得：
将代入公式(22)并整理得：
在t∈(0,Td]，由于|ΔF|＜＜F及|Δp(t)|＜＜P，根据(5)可知，Δq(t)＜＜Q，所以有：
下面针对ΔF与的符号关系进行讨论分析：当ΔF＞0时，由于f(t)＝F+ΔF＞F，因而q(t)＝Q+Δq(t)＞Q，所以有Δq(t)＞0；同理，当ΔF＜0时，由于f(t)＝F+ΔF＜F，因而q(t)＝Q+Δq(t)＜Q，所以有Δq(t)＜0；所以：ΔF与Δq(t)同号,亦即ΔF与y(t)同号。所以有：
又由于在t∈(0,Td]，公式(24)的右端满足：Qt＞0，所以有：
所以，公式(24)可整理得：
解方程(27)得：
又因为Δq(t)＝y'(t)，所以有：
因气压罐无泄漏，则由理想气体方程可知：
联立公式(29)和(30)，并整理得：
由于并且|ΔF|＜＜F，所以：|Δq(t)|＜＜Q，即公式(31)满足前面的|Δq(t)|＜＜Q的假设。令：则(31)整理得：
由《电工学简明教程》可知，当t＝τ时，因而可以利用时间常数τ的值来计算压力P。
由于参数Δq(t)、Q、F，ΔF、Pb、Vb、Tb、T及t均为可观测量和已知量，因而通过获取Δq(t)的时间常数值τ就可以在线测量出流量控制系统在稳态时的压力P值的大小。
依据公式(32)可求出流量控制系统任意相对稳态时刻的压力P。与此同时，流量控制系统输出流量Q可通过流量传感器获得，进而获取到流量控制系统在Q-H平面的工作点。
图三所示为调速泵高效运行区示意图，泵的高效运行区间为额定频率fN的扬程特性曲线HN、最低频率fmin的扬程特性曲线Hmin、相似工况抛物线li1、相似工况抛物线li2围成的扇环形区域ABCD。如果泵在Q-H特性曲线的工作点处于区域ABCD，则泵处于高效运行；反之，泵处于非高效运行状态。
由于流量控制系统采用变频调速实现流量调节控制方式，因而不同运行频率情况下泵的扬程特性曲线具有平移特性。下面结合图三详细说明泵运行区间分布情况。
(1)流量控制系统输出流量为Q1：
假设当前泵的运行频率为f1，则泵的扬程特性曲线为H1，流量为Q1对应的运行点的压力值为P1。由图三可知，当前泵处于高效区域ABCD中。如果某时刻流量控制系统因其他因素导致压力减小时(譬如，液体管道改变导致管阻减小，液体进入低扬程的反应槽罐等)，则在维持输出流量Q1不变的情况下，必然要降低泵的运行频率，假定泵的运行频率此时为f2，其扬程特性曲线切换到H2。由图三可知，特性曲线H2中流量为Q1对应的运行点的压力值为P2，此时泵运行点不处于高效区域ABCD中，泵的效率低下，发热严重。
(2)流量控制系统输出流量由Q1调节为Q2
假设当前泵的运行频率为f1，则泵的扬程特性曲线为H1，流量为Q1对应的运行点的压力值为P1。如果某时刻流量控制系统设定输出流量增加到Q2，则由于系统的管阻特性不变，增加输出流量必然导致管阻增加，必然要提高泵的运行频率，假定泵的运行频率此时为f3，其扬程特性曲线切换到H3。由图三可知，特性曲线H3中流量为Q2对应的运行点的压力值为P3，此时泵运行点不处于高效区域ABCD中，泵的效率低下，发热严重。同理，假设流量控制系统当前不处于高效区间运行，则由于外部工况的改变，系统运行点发生迁移，有可能处于高效区间运行。
通过上述分析可知，流量控制系统泵的运行区间并不是一直处于高效区，其随着输出流量和系统管阻的变化而变化，为了实现流量控制系统的安全、可靠运行，则必须要对流量控制系统进行高效控制。
采用单泵的流量控制系统，由于输出流量会随着工艺流量或者反应过程的不同而变化，其管阻特性也会随着变化，导致不可能一直处于高效运行区间。为此可以采用输出流量范围相同，扬程分为大、中、小的三台泵冗余工作方式，其控制策略为根据系统的工况动态选择效率最优的泵工作，而另外两台泵则处于备用状态。一方面，提高了系统的效率；另一方面，提高了系统的可靠性。
本发明提供了一种流量控制系统及控制方法，包括如下步骤：
(1)以采样周期Ts为间隔对流量控制系统输出流量值和变频器输出频率进行采样，将第一次采样值标记为q(1)和f(1)；标记当前采样次数为k；
定义流量误差e(k)＝Qset-q(k)；其中，e(i)|i＜＝0＝0；Qset为设定输出流量值；q(k)为采样次数为k时的流量值，f(k)为采样次数为k时变频器的输出频率值；f(i)|i＜＝0＝0；
令k＝1；
(2)由PID控制算法求出t＝kTs时刻变频器的输出频率值f(k)＝f(k-1)+Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]；
其中，e(k-1)、f(k-1)分别为t＝(k-1)Ts时刻的流量误差和变频器的输出频率；e(k-2)为t＝(k-2)Ts时刻的流量误差；
Kp、Ki和Kd分别为预先设定的PID算法中的比例系数、积分系数和微分系数；
更新变量，令e(k-2)＝e(k-1)，e(k-1)＝e(k)，f(k-1)＝f(k)；
(3)建立由N个元素构成的流量值数组{q(i)}，以及变频器输出频率数组{f(i)}，其中i＝{k-N+1,k-N+2,...k}，N为预先设定的大于1的正整数，k为当前采样次数；q(i)|i＜＝0＝0，f(i)|i＜＝0＝0；
(4)判断流量控制系统是否处于相对稳定状态，相对稳定状态的定义为：计算{q(i)}的平均值并求解判断是否满足：σq≤εq，其中：εq为设定正值，可根据实际系统进行设定，比如可以取0.05或者0.1。如果满足，则认为流量控制系统处于相对稳定状态，进入步骤(5)；否则，流量控制系统处于不稳定状态，转入步骤(20)；
(5)判断是否成立(其中θ为设定正值，可根据实际系统进行设定，比如可以取0.01或者0.03；Qset为设定输出流量)。如果满足，说明当前的泵Mj(j＝1，2，3)能满足流量控制要求，转入步骤(7)；否则，说明当前工作的泵Mj(j＝1，2，3)最大扬程太小，不能满足输出流量要求，进入步骤(6)。
(6)令控制开关Sj＝0，即控制Mj停止运行；同时，令控制开关Sj+1＝1，即控制扬程大一级的泵Mj+1(j+1<＝3)工作，转入步骤(20)。若当前工作Mj已经是扬程最大泵，则说明该流量控制系统泵的选择存在问题，无法满足系统需求，这种情况下本发明的控制方法不适用。
(7)求解变频器输出频率的平均值
(8)以此时刻标记为t＝0，给输出频率一个较小的扰动量ΔF，即f(mTs)＝F+ΔF；
(9)令m＝1；
(10)在t＝mTs时刻，采样流量值记为q(m)；得到Δq(m)＝q(m)-Q；
(11)判断(α为设定正值，可根据实际系统进行设定，比如可以取0.01或者0.1)是否成立。不成立，转入步骤(20)；否则，进入步骤(12)；
(12)判断(δ为设定正值，可根据实际系统进行设定，比如可以取0.01或者0.1)是否成立。不成立，则更新变量：令m＝m+1；返回步骤(10)。否则，进入步骤(13)。
(13)计算时间常数τ＝mTs
(14)计算压力
(15)依据点r(Q，P)和调速泵其扬程特性具有平移的特点，得出经过点r(Q，P)的泵Mj(j＝1，2，3)的Q-H扬程特性曲线，记为
(16)求解扬程特性曲线对应的频率Fj。
(17)求解与相似抛物线的交点aj和bj(j＝1，2，3)。
(18)计算满足条件的泵Mj的高效运行性能参数ψj。ψj为非负数，并且ψj越大，则性能越好。其中：ψj为参数aj、bj和r(Q，P)与对应高效区间AjBjCjDj的函数。例如，计算r(Q，P)到区域AjBjCjDj的几何中心点的距离的导数，或者计算r(Q，P)是否处于AjBjCjDj区域内及r(Q，P)到AjBjCjDj边界曲线的距离的加权函数，又或者为计算r(Q，P)是否处于AjBjCjDj区域内及r(Q，P)到aj、bj距离的加权函数(j＝1，2，3)。
(19)求取ψi＝max{ψ1,ψ2,ψ3}对应的i(i＝1，2，3)。控制器将对应的开关Si(t)＝1，Su＝0(u＝1,2,3∩u≠i)，从而选择合适扬程的泵工作，提高系统的效率，并进入步骤(20)。
(20)令k＝k+1；进行下一次采样，并标记输出流量值和变频器输出频率的采样值为q(k)和f(k)；返回步骤(2)。
实施例不应视为对本发明的限制，任何基于本发明的精神所作的改进，都应在本发明的保护范围之内。