基于目标自寻优离心式污水泵汽蚀的模糊控制
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摘要
离心式污水泵(即污水提升泵)，是典型的以输送固液两相流为主，同时含有不定量气体的多相流流体机械。污水提升泵输送污水的一个重要特点就是来流工况的不稳定，所以在污水泵的选型和安装上就存在着许多不确定因素，导致其在长期的运行过程中形成很严重的汽蚀破坏。汽蚀破坏一直是污水处理系统中长期没有得到解决的问题。
考虑到如果为了尽量在小流量和大流量工况区以及不同污水成分情况下避免汽蚀的发生，则泵吸入口的压力与输送液体的汽化压力就要保持很大的差距，这将造成很小的允许吸上高度或过大的倒灌高度和泵选型方面的失误。致使选型和安装不能同时满足污水泵站系统运行可靠性与效率的统一，因此对已经发生汽蚀的即定污水泵运行工况进行调节就成为控制和减轻污水泵汽蚀破坏的新途径。
就这个问题，本文首先分析了离心式污水泵汽蚀发生与调控的影响因素，对泵汽蚀的传统控制方法进行了总结；其次讨论了离心式污水泵变速调节工况与汽蚀性能的关系，然后针对污水泵汽蚀调节缺乏精确的数学模型以及调节控制过程的强非线形、滞后性和控制目标的不确定性等特点，提出了将模糊控制理论结合自寻优算法应用在污水泵汽蚀的控制系统方面的新思路。最后对整个控制系统在MATLAB中的SIMULINK环境下进行了仿真实验。实验表明该方法可以在一定范围内对汽蚀程度进行有效的控制。
The centrifugal sewage pump is the typical multi-phase flow fluid machinery, which is mainly used to transport and lift solid-liquid two-phase flow including a certain extent of gas. As an important character of sewage transportation by pump, the flow condition of sewage is so unstable that many uncertain factors including the selection for pump type and installation result in serious cavitations damage during the course of the pump long-term running. Cavitations damage is an unresolved problem in the sewage treatment system up to now.
If cavitations are avoided as possible in the condition of the lower-capacity or large-capacity and heterogeneity of the sewage, the much difference between the pump suction pressure and the vapor pressure of the sewage must be retained, which will result in such erection error as very lower allowable suction head or very high negative suction head and the invalidation of the selection of pump type. Thus the selection of pump type and the installation cannot be satisfied with the unitive relation between the efficiency and reliability in the sewage treatment system at the same time. So the work condition regulation becomes a new way to control or mitigate the cavitations damage for ihe certain sewage pump, which has occurred cavitation.
To the question, such work had been done in this paper as follows. First the influencing factors of the cavitation occurrence and control for the centrifugal sewage pump have been analyzed and the traditional ways to controlling cavitations damage for pump are summarized. Second the relation between various rotating speed regulation of the pump operation and cavitations performance has been discussed. Third the new idea about fuzzy control integrating with self-optimization arithmetic has been used to control the cavitations damage for the cavitation control being short of accurate mathematical model, certain control aim and the control properties including strong nonlinear effects, hysteresis effect etc. In the end the whole cavitation control of sewage pump was simulated in the SIMULINK environment on MATLAB. The simulation experiment shows that the new way can control a certain extent of cavitation of sewage pump effectively.
考虑到如果为了尽量在小流量和大流量工况区以及不同污水成分情况下避免汽蚀的发生，则泵吸入口的压力与输送液体的汽化压力就要保持很大的差距，这将造成很小的允许吸上高度或过大的倒灌高度和泵选型方面的失误。致使选型和安装不能同时满足污水泵站系统运行可靠性与效率的统一，因此对已经发生汽蚀的即定污水泵运行工况进行调节就成为控制和减轻污水泵汽蚀破坏的新途径。
就这个问题，本文首先分析了离心式污水泵汽蚀发生与调控的影响因素，对泵汽蚀的传统控制方法进行了总结；其次讨论了离心式污水泵变速调节工况与汽蚀性能的关系，然后针对污水泵汽蚀调节缺乏精确的数学模型以及调节控制过程的强非线形、滞后性和控制目标的不确定性等特点，提出了将模糊控制理论结合自寻优算法应用在污水泵汽蚀的控制系统方面的新思路。最后对整个控制系统在MATLAB中的SIMULINK环境下进行了仿真实验。实验表明该方法可以在一定范围内对汽蚀程度进行有效的控制。
The centrifugal sewage pump is the typical multi-phase flow fluid machinery, which is mainly used to transport and lift solid-liquid two-phase flow including a certain extent of gas. As an important character of sewage transportation by pump, the flow condition of sewage is so unstable that many uncertain factors including the selection for pump type and installation result in serious cavitations damage during the course of the pump long-term running. Cavitations damage is an unresolved problem in the sewage treatment system up to now.
If cavitations are avoided as possible in the condition of the lower-capacity or large-capacity and heterogeneity of the sewage, the much difference between the pump suction pressure and the vapor pressure of the sewage must be retained, which will result in such erection error as very lower allowable suction head or very high negative suction head and the invalidation of the selection of pump type. Thus the selection of pump type and the installation cannot be satisfied with the unitive relation between the efficiency and reliability in the sewage treatment system at the same time. So the work condition regulation becomes a new way to control or mitigate the cavitations damage for ihe certain sewage pump, which has occurred cavitation.
To the question, such work had been done in this paper as follows. First the influencing factors of the cavitation occurrence and control for the centrifugal sewage pump have been analyzed and the traditional ways to controlling cavitations damage for pump are summarized. Second the relation between various rotating speed regulation of the pump operation and cavitations performance has been discussed. Third the new idea about fuzzy control integrating with self-optimization arithmetic has been used to control the cavitations damage for the cavitation control being short of accurate mathematical model, certain control aim and the control properties including strong nonlinear effects, hysteresis effect etc. In the end the whole cavitation control of sewage pump was simulated in the SIMULINK environment on MATLAB. The simulation experiment shows that the new way can control a certain extent of cavitation of sewage pump effectively.
引文
[1] 张忠祥，钱易．城市可持续发展与水污染防治对策．中国建筑工业出版社．1998
[2] 张玉艳．长春北郊污水处理厂综合自动化系统的设计与开发．东北大学硕士论文2002．2
[3] 丁亚兰．国内外废水处理工程设计实例．化学工业出版社．2000．4
[4] 喻一萍．污水泵站控制系统的设计与实现．中国给水排水．2001．7
[5] 王家松，汪晓．污水提升泵变频调速的非线性控制系统．中国给水排水 2000．7
[6] 毛慧欧，柴天佑，乔金华．城市污水处理计算机控制系统的应用研究．环境污染治理技术与设备．2001．10
[7] 高大文，彭永臻，王淑莹，高景峰．污水处理智能控制的研究、应用与发展．中国给水排水．2002．6
[8] 李仁年，韩伟．螺旋离心泵效率与可靠性之间的关系分析．流体机械．2003．1
[9] 曹敬东等 工业污水泵汽蚀现象分析与防治．江西冶金．1996．12
[10] 李华北，潘中永，赵杰文图像处理在汽蚀分析中的应用．农业机械学报 2001．5
[11] 邹乃飞，乔金友．泵运行过程中减轻汽蚀的途径．黑龙江水专学报．2002．．6
[12] 吴昱，朱祖超．利用引射结构提高离心泵的汽蚀性能．工程设计．2002．6
[13] 贾宗谟，穆界天，范宗霖．旋涡泵液环泵射流泵．机械工业出版社．1992
[14] 王瑞明等．水泵气穴与气蚀和防止措施．水利科技与经济．1998．6
[15] 孙增昕．智能控制理论与技术．清华大学出版社、广西科学技术出版社．2000
[16] George Klir. Fuzzy Sets: An Overview of Fundamentals, Applications, and Personals Views. Beijing Normal University Press. 2000.5
[17] 章卫国，杨向忠．模糊控制理论与应用．西北工业大学出版社．1999．10
[18] 王雅生，张庆，蔡洪能．CO2短路过渡焊电弧电压自寻优模糊控制系统．焊接学报．2001．2
[19] 艾红．锅炉效率动态模糊自寻优控制．自动化技术与应用．2002．4
[20] 李晓枫，张菊华，朱登瀛．模糊自寻优控制系统及工业应用．化工自动化及仪表．2001．28
[21] 鲁周迅．模糊自寻优算法及实现．陕西工学院学报．1997．3
[22] 林菲．自寻优参数摸糊控制．福建教育学院学报．2002．4
[23] 张彦斌，贾立新等．自寻优—模糊控制策略在球磨机控制中的实现．电力系统自动化．1999．9
[24] 陈渝光，钱微，陈鸿雁．混合煤气加压站多层、多变量自寻优模糊控制．广东自动化与信息工程 2001．4
[25] 赫尔姆特．舒尔茨．泵原理、结构与计算．机械工业出版社．1991
[26] 梁在潮．工程湍流．华中理工大学出版社．1999．4
[27] 李仁年，薛建欣．含沙水流时水泵汽蚀性能的分析研究．甘肃工业大学学报 1995．9
[28] 何清华，徐海良，周友行．两相泵的汽蚀性能和吸泥高度．中南工业大学学报．2002．8
[29] 王宏，王曾璇，马振宗，郭晚荣．水力机械转轮内固液两相流的三维贴体
数值模拟研究．水力发电学报．1998．3
[30] 高殿荣，韩屋谷，赵长海．管路固液两相流的基本方程．东北重型机械学院．1994．6
[31] 赵立强．固体颗粒对离心泵汽蚀性能的影响．排灌机械．1995．4
[32] 史留旺，王军，毕纯琴．大气压力与离心式水泵汽蚀研究．煤矿机械．2000．3
[33] 泵专业国家标准行业标准汇编(∽1998)．全国泵标准化技术委员会．1999
[34] 魏然，王德意．水电机组汽蚀在线监测系统的研究．水电技术．2001．2
[35] 张琪霞，张幼新．卧式分段多级离水泵初生汽蚀判别机理的探讨．山东矿业大学学报．1995．9
[36] 余高伟，魏统胜，王友启，齐明侠．自相关分析技术诊断离心泵汽蚀的实验研究．石油矿场机械．2001．4
[37] 马力，朱钒，壮云．海水泵汽蚀初生诊断研究．湖北工学院学报．2000．6
[38] 王瑞明等．水泵气穴与汽蚀和防止措施．水利科技与经济．1998．6
[39] 高传昌，张长富，周兵．离心泵汽蚀特性与调节工况的理论研究．流体机械．2001．5
[40] 关醒凡．泵的理论与设计．北京．机械工业出版社．1987
[41] 冯汉民．水泵学(第一版)．北京．水利电力出版社．1991
[42] 郭乃龙，贾仁辅．泵允许调速范围的数解方法．排灌机械．1994．3
[43] 黄文鑫．锅炉给水泵采用变频调速时的安全冗余设计．电子仪器仪表用户．1998年．6
[44] 莫岳平，黄海田等．型泵站变频调速运行可行性分析．大电机技术．2000．2
[45] 王树青等．先进控制技术及应用．北京．化学工业出版社．2001．7
[46] 杜金城．电器变频调速技术．中国电力出版社．2001．4
[47] 梁永智．流程离心泵变频调速的实践与探讨．石油化工设备技．1998．2
[48] 胥建群，高润田，周克毅．一种新型的给水泵通用数学模型．气轮机技术1999．6
[49] 戴强．变频器在提升泵调速系统中的应用．制造业自动化．2000．7
[50] 王士同．模糊系统、模糊神经网络及应用程序设计．上海科技技术文献出版社．1998．12
[51] 刘豹．现代控制理论(第2版)．北京．机械工业出版社．2000．5
[52] 陈桂明，张明照．Matlab建模与仿真．北京．科学出版社．2001．3
[53] 欧阳黎明．MATLAB控制系统设计．北京．国防工业出版社 2001．1
[54] H.J.Zimmermann. Fuzzy Sets and Operations Research for Decision Support. Beijing Normal University Press. 2000.1
[55] 徐昕，李涛等．Matlab工具箱指南——控制工程篇．北京．电子工业出版社．2000
[56] 王铭涛．基于遗产优化的冲天炉模糊控制．甘肃工业大学硕士学位论文．2002．4
[57] 王立新．自适应模糊系统与控制．国防工业出版社．1996
[2] 张玉艳．长春北郊污水处理厂综合自动化系统的设计与开发．东北大学硕士论文2002．2
[3] 丁亚兰．国内外废水处理工程设计实例．化学工业出版社．2000．4
[4] 喻一萍．污水泵站控制系统的设计与实现．中国给水排水．2001．7
[5] 王家松，汪晓．污水提升泵变频调速的非线性控制系统．中国给水排水 2000．7
[6] 毛慧欧，柴天佑，乔金华．城市污水处理计算机控制系统的应用研究．环境污染治理技术与设备．2001．10
[7] 高大文，彭永臻，王淑莹，高景峰．污水处理智能控制的研究、应用与发展．中国给水排水．2002．6
[8] 李仁年，韩伟．螺旋离心泵效率与可靠性之间的关系分析．流体机械．2003．1
[9] 曹敬东等 工业污水泵汽蚀现象分析与防治．江西冶金．1996．12
[10] 李华北，潘中永，赵杰文图像处理在汽蚀分析中的应用．农业机械学报 2001．5
[11] 邹乃飞，乔金友．泵运行过程中减轻汽蚀的途径．黑龙江水专学报．2002．．6
[12] 吴昱，朱祖超．利用引射结构提高离心泵的汽蚀性能．工程设计．2002．6
[13] 贾宗谟，穆界天，范宗霖．旋涡泵液环泵射流泵．机械工业出版社．1992
[14] 王瑞明等．水泵气穴与气蚀和防止措施．水利科技与经济．1998．6
[15] 孙增昕．智能控制理论与技术．清华大学出版社、广西科学技术出版社．2000
[16] George Klir. Fuzzy Sets: An Overview of Fundamentals, Applications, and Personals Views. Beijing Normal University Press. 2000.5
[17] 章卫国，杨向忠．模糊控制理论与应用．西北工业大学出版社．1999．10
[18] 王雅生，张庆，蔡洪能．CO2短路过渡焊电弧电压自寻优模糊控制系统．焊接学报．2001．2
[19] 艾红．锅炉效率动态模糊自寻优控制．自动化技术与应用．2002．4
[20] 李晓枫，张菊华，朱登瀛．模糊自寻优控制系统及工业应用．化工自动化及仪表．2001．28
[21] 鲁周迅．模糊自寻优算法及实现．陕西工学院学报．1997．3
[22] 林菲．自寻优参数摸糊控制．福建教育学院学报．2002．4
[23] 张彦斌，贾立新等．自寻优—模糊控制策略在球磨机控制中的实现．电力系统自动化．1999．9
[24] 陈渝光，钱微，陈鸿雁．混合煤气加压站多层、多变量自寻优模糊控制．广东自动化与信息工程 2001．4
[25] 赫尔姆特．舒尔茨．泵原理、结构与计算．机械工业出版社．1991
[26] 梁在潮．工程湍流．华中理工大学出版社．1999．4
[27] 李仁年，薛建欣．含沙水流时水泵汽蚀性能的分析研究．甘肃工业大学学报 1995．9
[28] 何清华，徐海良，周友行．两相泵的汽蚀性能和吸泥高度．中南工业大学学报．2002．8
[29] 王宏，王曾璇，马振宗，郭晚荣．水力机械转轮内固液两相流的三维贴体
数值模拟研究．水力发电学报．1998．3
[30] 高殿荣，韩屋谷，赵长海．管路固液两相流的基本方程．东北重型机械学院．1994．6
[31] 赵立强．固体颗粒对离心泵汽蚀性能的影响．排灌机械．1995．4
[32] 史留旺，王军，毕纯琴．大气压力与离心式水泵汽蚀研究．煤矿机械．2000．3
[33] 泵专业国家标准行业标准汇编(∽1998)．全国泵标准化技术委员会．1999
[34] 魏然，王德意．水电机组汽蚀在线监测系统的研究．水电技术．2001．2
[35] 张琪霞，张幼新．卧式分段多级离水泵初生汽蚀判别机理的探讨．山东矿业大学学报．1995．9
[36] 余高伟，魏统胜，王友启，齐明侠．自相关分析技术诊断离心泵汽蚀的实验研究．石油矿场机械．2001．4
[37] 马力，朱钒，壮云．海水泵汽蚀初生诊断研究．湖北工学院学报．2000．6
[38] 王瑞明等．水泵气穴与汽蚀和防止措施．水利科技与经济．1998．6
[39] 高传昌，张长富，周兵．离心泵汽蚀特性与调节工况的理论研究．流体机械．2001．5
[40] 关醒凡．泵的理论与设计．北京．机械工业出版社．1987
[41] 冯汉民．水泵学(第一版)．北京．水利电力出版社．1991
[42] 郭乃龙，贾仁辅．泵允许调速范围的数解方法．排灌机械．1994．3
[43] 黄文鑫．锅炉给水泵采用变频调速时的安全冗余设计．电子仪器仪表用户．1998年．6
[44] 莫岳平，黄海田等．型泵站变频调速运行可行性分析．大电机技术．2000．2
[45] 王树青等．先进控制技术及应用．北京．化学工业出版社．2001．7
[46] 杜金城．电器变频调速技术．中国电力出版社．2001．4
[47] 梁永智．流程离心泵变频调速的实践与探讨．石油化工设备技．1998．2
[48] 胥建群，高润田，周克毅．一种新型的给水泵通用数学模型．气轮机技术1999．6
[49] 戴强．变频器在提升泵调速系统中的应用．制造业自动化．2000．7
[50] 王士同．模糊系统、模糊神经网络及应用程序设计．上海科技技术文献出版社．1998．12
[51] 刘豹．现代控制理论(第2版)．北京．机械工业出版社．2000．5
[52] 陈桂明，张明照．Matlab建模与仿真．北京．科学出版社．2001．3
[53] 欧阳黎明．MATLAB控制系统设计．北京．国防工业出版社 2001．1
[54] H.J.Zimmermann. Fuzzy Sets and Operations Research for Decision Support. Beijing Normal University Press. 2000.1
[55] 徐昕，李涛等．Matlab工具箱指南——控制工程篇．北京．电子工业出版社．2000
[56] 王铭涛．基于遗产优化的冲天炉模糊控制．甘肃工业大学硕士学位论文．2002．4
[57] 王立新．自适应模糊系统与控制．国防工业出版社．1996
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