[0086] 图1示出了根据现有技术的用于供水系统1的设置的示意图，其事实上通常用于美国和亚洲。供水系统1包括具有泵3和用于向多个房屋5供应水的水箱或蓄水池4的蓄水池供水泵装置2。蓄水池3在此控制由管道6连接的网络中的压力，并且用作末端用户流量qu和泵流量qp之间的分离蓄水池。这样能够对泵3或多个泵进行开/关控制，由此可以通过在达到低水位阈值时启动泵3并且在达到高水位阈值时停止泵的开/关控制器来控制蓄水池4中的水位h。除了进行开/关控制之外，蓄水池4还用作应急蓄水池。另外，由于供水系统1内的所有水均通过蓄水池4，所以蓄水池4也可以充当反应槽的功能以用于例如氯注入。
[0087] 图2示出了欧洲通常使用的根据现有技术的供水系统1的另一个示意性布置。所示构造基本上对应于图1所示结构。但是，此处的蓄水池4不能起到反应槽的功能。使用该构造的另一个缺点是难以确保水的年龄低于预定值。
[0088] 图3示出了用于具有屋顶水箱或蓄水池4的建筑物7的供水系统1的示意性布置，在强制建筑物7内具有蓄水池以用于消防的城市中采用该布置。除了水箱或蓄水池4被放置在建筑物7的顶部8之外，这里所示的供水系统1也类似于图1所示的供水系统。
[0089] 在上述所有供水系统1中，控制器控制泵3或多个泵，以便根据水箱或蓄水池4中的水位h来停止和启动水泵3或各个泵。应该指出的是，在许多大型供水系统1中，以不同的水位h来启动泵3，该程序近似于比例压力控制。然而，根据现有技术的应用，不可能自动调节比例因子以保证连续的流量。
[0090] 图4示出了用于根据本发明实施例的蓄水池供水泵装置2的比例压力曲线。此处，泵站或蓄水池供水泵装置2的控制器的压力设定点p设定是蓄水池4中水位h的函数。在图4的图中，p基表示泵站控制器的最大压力设定点，并且通过使用具有固定偏移项的比例控制器来将水箱或蓄水池水位h控制在蓄水池4的最小水位设定h最小和蓄水池4的最大水位设定h最大之间，使得保持水位h低于p基。其原因是确保了基于控制参数设计的鲁棒性。也就是说，除了上面已经列出的其他优点之外，总是可以在供水系统1中确保稳定性。
[0091] 在开启周期内，泵站蓄水池供水泵装置2根据遵从关系式(1)的水位h来控制压力，[0092] P设定＝P基-G(h-h最小) 公式(1)
[0093] 其中p设定是由泵站蓄水池供水泵装置2设置的实际压力，p基是当作为开/关控制器运行时泵站蓄水池供水泵装置2的压力基准，G是比例因子。此外，h是水箱或蓄水池4中的实际水位，h最小是用户设定的最小允许水位阈值。该控制的效果如图4所示。根据这种方法，压力用作基准值或泵站基准。相反，也可以使用流量，在这种情况下，比例控制可以由公式(2)表示：
[0094] q设定＝q最大-G(h-h最小) 公式(2)
[0095] 在通过速度基准进行控制的蓄水池供水泵装置2的情况下，比例控制可以由公式(3)表示：
[0096] n设定＝n基-G(h-h最小) 公式(3)
[0097] 最后，在蓄水池供水泵装置2包括固定速度泵3的情况下，运行的泵3的数量可以与水位h成比例地进行控制。使v表示有效(或激活)的泵3的数量，则比例控制可以由公式(4)表示：
[0098] v设定＝ceil(v最大-G(h-h最小)) 公式(4)
[0099] 其中“ceil”表示大于括号内容的最小整数。
[0100] 在图5的基础上，示出了根据本发明实施例在开/关控制模式12和连续水位控制模式13之间进行划分以控制泵3的示意图，解释了增益因子G的适应性调节。在前述水位控制策略中的增益因子G的调节在这种方法中是适应性的。调节策略按照水位控制策略的划分分为两个层级。
[0101] 主控制策略是开/关控制12。该控制确保了水位h永远不超过最大水位设定，并且永远不降低到最小水位设定以下。这是通过根据水位设定来切换完整的泵站或蓄水池供水泵装置2的开和关而完成的。当泵站或蓄水池供水泵装置2打开时，连续水位控制13根据控制的选择来调节泵压力和流量。这是根据公式(1)至(4)中所述的控制来完成的。在开/关控制和连续控制中都调节增益，并获得基准输出14。接下来，首先描述开/关控制模式12中的调节，随后描述连续控制模式13中的调节。
[0102] 图6示出了根据本发明方法实施例而进行控制的设置的示意图，其中状态机器9控制水位h并调节增益因子G，以确保对泵站或蓄水池供水泵装置2进行连续操作。
[0103] 如上所述，使用比例水箱填充控制的问题在于为增益因子G选择良好的值。本文中，通过在每次到达最大水位(因为这表明压力过高以至于无法获取连续的泵操作)时就对增益进行调节来解决该问题。图6所示的状态机器9对水位起作用，启动和停止泵站或蓄水池供水泵装置2的泵3。状态机器在每个泵3关闭之后调节增益因子G，并且在预定时刻获得连续的泵操作。
[0104] 图7示出了根据本发明方法的另一个实施例而进行控制的设置的另一个示意图。这里，状态机器9识别最小控制水位和最大控制水位，并根据开/关水位控制信号来调节增益因子G。这适用于供水系统1配备有向泵控制器发送开/关信号的水位控制器的情况。在这些情况下，该开/关信号可以用于标识最小水位和最大水位，并且调节增益因子G，如这里所示的状态机器9所做的那样。
[0105] 图8是解释连续控制中的调节并且示出用于识别每天的最大水位的水位序列的图。这里，通过增大增益因子G来降低最大水位的值，直到最大水位低于值h*高为止。
[0106] 当泵3连续运行时，调节增益G，使得h的最大值大约为最大水位阈值和最小水位阈值(h最大和h最小)之间的差值的80％。其首先通过识别根据公式(5)在给定周期内获得的最高水位来完成：
[0107]
[0108] 其中，h(t)是时间t时的水位，项max搜索时间周期T内的最大水位，其中，T优选地为1天。该搜索的结果是一天内所获得的最大水位，此处，在该附图中标记为h高。
[0109] 当周期T内的最大水位已知时，则在每个周期T内根据下述公式(6)调节一次G：
[0110]
[0111] 其中
[0112]
[0113] 其中，k表示第k个周期T，并且0＜α＜1表示在周期T内水位应该达到的最大水位h最大和最小水位h最小之间的比重。项αh最大+(1-α)h最小在此处等于h*高。最后，K是控制调节速率的增益常数。K是适应常数，并且应该具有大于零的值。
[0114] 图9示出了根据本发明方法的另一个实施例而进行控制的设置的示意图。此处，对在水箱或蓄水池4中进行强制换水的泵站控制的过程或策略以及水质特征进行解释。
[0115] 蓄水池4中水的年龄对于水质来说是非常重要的参数。为了确保水质，必须限制蓄水池4中水的平均驻留时间，并且蓄水池4必须是干净的。利用与图9相关的控制方法，在具有与图2所示的供水系统1相似结构的应用中，水的自然驻留时间将增加。此处，水质问题具有以下两个特征。
[0116] 为了确保水质，在预定时间启动清空程序(通常为每天一次或每周一次)。图中所示的状态事件机9控制清空程序。在空的状态下，泵站或蓄水池供水泵装置2根据足够低的预定压力或流量设定点来控制压力或流量，以便清空蓄水池4。或者，泵站或蓄水池供水泵装置2的泵3停止。
[0117] 图10示出了根据本发明方法的另一个实施例而进行控制的另一个设置的示意图。在此，将说明用于清洁水箱或蓄水池4的泵站控制策略，其中“清洁”意味着将蓄水池4充满到其最大程度以确保整个蓄水池4被冲洗。此处所示的状态事件机9执行这样的清洁程序。
图中的清洁水位是水刚好未溢出时所定义的水箱或蓄水池4的顶部的水位。通常，清洁程序是在已经将蓄水池充满到其最大程度的情况下运行的，从而确保最佳可能的换水。
[0118] 图11是示出了在所述几个安全策略的基础上在水位传感器故障的情况下使用的压力分布和所记录的压力分布的图。对于水位传感器故障而言，适用以下情况。
[0119] 水位传感器(未示出)从蓄水池4传送到通常相隔几公里的泵站或蓄水池供水泵装置2，因此在水位传感器故障的情况下用于控制泵站或蓄水池供水泵装置2的复杂策略非常重要。当出现水位传感器故障时，泵站或蓄水池供水泵装置2以在前一天的同一时间向系统提供的压力值来运行。这是通过设置前一天的压力值分布或过去几天的平均压力来完成的。在这个例子中，记录了每个小时的平均压力，并且在水位传感器故障的情况下用于次日的控制。
[0120] 图12示出了用于控制根据本发明实施例的流量限制的控制结构10。控制结构10包括两个控制器11和11'，这两个控制器11和11'在这里实现为PI控制器并且控制流量的限制以确保压力按照约束条件p最大和p最小(其中p最大>p最小)保持。
[0121] 在选择流量q作为控制变量(公式(2)中所示的控制)的情况下，如果到水箱或蓄水池4的连接被关闭(例如由于清洁所引起)，则供水系统1存在压力变得太高或太低的风险。为了避免压力过高或过低，对流量设定可变约束条件。这通过图12中所示的控制器构造来实现。在该构造中，如果压力高于最大压力，则控制器11减小流量的上限，并且如果压力低于最小压力要求，则控制器11'增加流量的下限。中间控制器11”是关于图11所述的水位比例控制器。
[0122] 图13示出了包括入口压力保护的另一控制结构10，该控制结构10可以用于压力控制模式和流量控制模式。以下描述在流量控制模式下的流量保护。
[0123] 在选择压力p作为控制变量(由公式(1)表示的控制过程)的情况下，供水系统1存在流量变得太高或太低的风险。为了避免流量过高或过低，对压力设定了可变的约束条件，这通过与图12所述的压力保护方面的方法类似的方法来实现。特别是高流量保护是一个重要的特征，因为这可以是用于保护供应泵站或蓄水池供水泵装置2的水源的保护方案的一部分。
[0124] 关于入口压力保护，注意以下内容。在许多供水系统中，保护泵站或蓄水池供水泵装置2入口侧处的蓄水池是非常重要的。通常，入口压力表明该蓄水池4中可用的水量。因此，入口压力保护是为泵控制器11设计的。除了使用入口压力测量进行控制以外，该保护具有与上述保护功能相同的形式，其控制架构如图所示。
[0125] 图14是示出比例水位曲线的图，其中，对偏移和增益项均进行了调节。如果应该确保水位最大可能的变化并由此确保一天中最大可能的水交换，则必须调节增益G1和偏移项q最大＝G0，其中，增益和偏移的调节如图14所示。对于流量控制情况，表达式比例水位曲线由公式(7)给出：
[0126] q设定＝G0-G1(h-h基) 公式(7)
[0127] 其中
[0128]
[0129] 在这种情况下，必须自动识别增益G1的值和偏移G0的值。使用与以前相同的方法。也就是说，如在图15中可以看到的那样，使用了在预定时间帧T(通常是一天)内获得的水位的最大值。唯一的区别是使用了预定时间帧T内的最大水位和最小水位。这些值由公式(8)和(9)获得：
[0130]
[0131]
[0132] 公式(10)和(11)可以定义最大水位和最小水位的参考：
[0133]
[0134]
[0135] 其中α和β是在0和1之间的数字，它们定义了最大可接受水位与待控制最大水位之间的距离，并且对于最小水位来说是类似的。从图15中可以看出，其示出了标识每天的最大水位和最小水位的水位序列，实际的最大水位和最小水位之间与基准水位之间的差值每天通过调节增益和偏移因子G1和G0而降低。
[0136] 增益和偏移项的更新定律由以下公式(12)和(13)来表示：
[0137]
[0138]
[0139] 为了获得更好的收敛行为，根据公式(14)通过估计的增益来缩放偏移项的更新定律可能是有益的：
[0140]
[0141] 与前面的情况一样，该算法可以用于压力和流量控制的泵站或蓄水池供水泵装置2。在压力控制的泵站的情况下，比例水位控制可以由公式(15)来定义：
[0142] p设定＝G0-G1(h-h最小) 公式(15)
[0143] 其中，G0和G1的更新定律在其结构上类似，并且用于流量控制的泵站或蓄水池供水泵装置2中，只不过对于增益项具有其他数值。
[0144] 图16是示出了以用于解释水位的安全控制的流量比例曲线为例的控制行为的图。使用调节G0和G1以满足蓄水池4的平均水位和水位变化这二者的要求的方法不可能保证在达到最低水位时输出压力或流量处于最大值。在需求更换的情况下，这可能导致水位下降到低于可接受的最低水位。为了解决这个问题，通过调节偏移项G0，流量/压力设定点随着水位增加。这是在每次经过预定时间周期T的时候根据公式(16)表示的下列更新定律来完成的：
[0145]
[0146] 其中t表示第t个周期T，采样时间通常在几秒的区间内。
[0147] 这意味着每次水位变得低于最小水位h最小时，根据公式(17)的以下算法正在运行：
[0148] G0，K+1＝G0，K+K2(h最小-h)，h
[0149] 其中，K2是更新增益。图16针对水位低于最小水位的情况示出了该行为。
[0150] 图17是示出了时间长度为几天的周期内的水位行为的图，该水位行为具有与图16有关的上述主动控制。在第2天，水位变得低于最小水位h最小，公式(17)激活并且更新G0。
[0151] 图18是根据本发明实施例的具有升高的蓄水池的系统的示意图，该蓄水池具有来自多个泵站或蓄水池供水泵装置2的填充。在从多个源供应蓄水池4的情况下，各个泵站或蓄水池供水泵装置2的控制应该根据预定设定来共享多个单元之间的负荷(流量)。该图中示出了两个泵站或蓄水池供水泵装置2向蓄水池4供水的供水系统1。这里，每个泵3运行由公式(18)表示的相同的控制环：
[0152] q设定，i＝siG0-siG1(h-h最小) 公式(18)
[0153] 这里，s是用于调节由不同泵站或蓄水池供水泵装置2输送的水量的缩放比例系数。也就是说，如果si＝sj，则第i个和第j个泵站或蓄水池供水泵装置2输送相同的流量，并且如果si≠sj，则第i个和第j个泵站或蓄水池供水泵装置2相应地输送流量。在这个实施例中，si i＝1，…，n由用户选择。
[0154] G0和G1的更新定律对于所有泵站或蓄水池供水泵装置2都是相同的，并且一致性算法确保各个泵站匹配这些值。一致性更新以比由公式(12)和(13)所述的更新定律高的采样率来执行。更新定律的采样时间通常是24小时，并且用于小于1小时的一致性算法。一致性更新由以下公式(19)和(20)所述的更新定律来控制：
[0155]
[0156]
[0157] 其中，k表示第k个采样时间。采样时间通常在10至60分钟的区间内。
[0158] 其中，U是有效单元(已经向第j个单元传递了G1和G0的值的单元)的集合，|U|是已经传递了它们的值的单元的数量，以及κ是控制单元之间的一致性(agreement)的收敛性的增益因子。
[0159] 图19是根据本发明实施例的另一供水系统1的示意图，其中通过多个泵站或蓄水池供水泵装置2进行填充。在这里所示的情况下，多于一个泵站或蓄水池供水泵装置2根据用户定义的规则共享它们之间的流量。这是通过将泵站或蓄水池供水泵装置2中的一个定义为主站2'、然后使该主泵站2'根据预定的规则将流量基准传送到剩余的从属泵站2”来实现的，可以参看该图。
[0160] 由此，根据公式(21)将从属泵站2”控制为基于主泵站2'的流量计算的基准流量：
[0161] q设定，i＝siq设定，1 公式(21)
[0162] 其中，q设定，i是第i个从属泵控制器的流量基准，q设定，1是主泵控制器的流量，以及si是限定泵站2'、2”之间的流量分配的数。
[0163] 最后，提到了一些替代应用。所提出的控制方法也可以用于填充大型蓄水池，例如用于供水的大型原水池。也可以通过与水位成比例地控制流量的控制来实现清空蓄水池。在这种情况下，应该依照公式(22)表示的规则根据水位来控制流量：
[0164] q设定＝q最大-G(h最大-h) 公式(22)
[0165] 除此之外，该方法类似于上述实施例。
[0166] 附图标号
[0167] 1 供水系统
[0168] 2、2'、2” 蓄水池供水泵装置/泵站
[0169] 3 泵
[0170] 4 蓄水池/水箱
[0171] 5 房屋
[0172] 6 管道
[0173] 7 建筑物
[0174] 8 建筑物的顶部
[0175] 9 状态机
[0176] 10 控制结构
[0177] 11、11' 控制器
[0178] 12 开/关控制模式
[0179] 13 连续控制模式
[0180] 14 基准输出
[0181] h 蓄水池/水箱中的水位
[0182] h最小 蓄水池/水箱的最小水位设定
[0183] h最大 蓄水池/水箱的最大水位设定
[0184] G 增益因子
[0185] p 压力
[0186] p入口 入口处的压力
[0187] p最大 最大压力
[0188] p最小 最小压力
[0189] pp、pp1、pp2 出口泵压力
[0190] p设定 泵站控制器的压力设定点
[0191] p基 泵站控制器的最大压力设定点
[0192] q 流量
[0193] qp、qp1、qp2 出口泵流量
[0194] q基 泵站的最大流量设定点
[0195] qu、qu1、qu2 末端用户流量
[0196] q设定 泵站控制器的流量设定点
[0197] q最大 来自泵站的最大允许流量
[0198] n设定 泵站控制器的速度设定点
[0199] n最大 泵站的最大速度
[0200] v设定 泵站中运行的泵的数量
[0201] v最大 泵站的泵的数量
[0202] t，k 采样时间的整数
[0203] T 分析水位以找到所达到的最高水位的周期
[0204] h高 在时间间隔T内达到的最高水位
[0205] 在时间间隔T内达到的最高水位的基准值
[0206] h低 在时间间隔T内达到的最低水位
[0207] 在时间间隔T内达到的最低水位的基准值
[0208] α 在周期T内水位应该达到的最大水位h最大和最小水位h最小之 间的分数(fraction)
[0209] β 另一个分数
[0210] K 当泵站连续运行时用于调节G的调节因子
[0211] si 第i个泵站的流量缩放比例
[0212] κ 控制用于控制泵站之间的行为的一致性算法的增益因子
