一种零存水饮水机回吸泄压自适应控制方法及系统与流程

本发明属于数据处理，自适应控制，具体涉及一种零存水饮水机回吸泄压自适应控制方法及系统。

背景技术：

1、零存水饮水机因其不设储水胆且管路内不滞留存水，从而规避了传统储水式设备存水长期滞留滋生细菌与反复煮沸的弊端。其通常采用即热式加热体配合管路回吸实现不留存水，在用户停止取水后通过控制泵后串接的回吸阀，在短时间内将加热体及下游管路中的残留水抽回上游水箱，使管路恢复空置或负压状态。传统的零存水控制通常采用固定时序的泵阀切换方案，即在设备出厂时依据洁净状态下的增压泵工作特性与管路流阻特性，预先标定泵停机与回吸阀开启之间的时间间隔、泄压速率及回吸持续时长，在运行时按固定程序执行切换动作。

2、然而，将上述固定时序的切换方案应用于实际长期运行的零存水饮水机时，会暴露出显著的泵阀压过载累积风险。泵阀压过载累积风险是指在每次取水回吸的短期操作窗口内，增压泵对出口背压稳定性的需求与零存水阀瞬时泄压的功能要求构成相互对立的偏好，泵要求泄压缓和以避免冲击过载、而零存水功能要求泄压迅速以彻底排空残水，固定时序方案无法在该短期窗口内根据泵当前负载状态与加热体流阻状态动态权衡两者，从而使每次切换发生偏向快速泄压致泵承受反复冲击应力，或偏向缓和泄压致回吸不彻底而管路残留水。这种失衡在多次操作循环中逐渐累积引发泵隔膜疲劳开裂等不可逆的长期性能退化，或零存水功能因长期回吸不彻底而功能失效。因此，亟须一种零存水饮水机回吸泄压自适应控制方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种零存水饮水机回吸泄压自适应控制方法及系统，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。

2、泵阀压过载问题的发生，是由于在于传统方法中出现增压泵工作特性与管路流阻特性的依赖，由于预先标定泵停机与回吸阀开启之间的时间间隔、泄压速率及回吸持续时长参数后，在运行时按固定程序执行切换动作的方式，所以储水式饮水机因其储水胆提供蓄热缓冲，泵阀切换时的压力波动可被水箱容积平抑，对切换时序的精度要求相对宽松；其次，零存水饮水机因无储水缓冲、管路回吸切换在时间窗口内完成，泵出口压力从正压骤变为负压的过程对泵与阀的瞬态协调性要求极高，故出厂标定时假定泵与加热体的性能参数在全生命周期内基本恒定，以使固定时序能够兼顾泵的保护需求与零存水功能的实现效果。

3、具体而言，泵阀压过载累积风险发生的原因在于，增压泵需要出口维持一定背压方能建立稳定流量输出并避免过流冲击，而零存水功能要求停机后在极短时间内将泵出口至加热体出水口这段管路的压力从正压泄至负压以实现回吸，这一泄压速率对泵而言相当于出口阻抗的骤变，单次切换即可引发隔膜承受冲击载荷，而此类冲击在每日数十次取水操作中反复施加，进而使泵疲劳裂纹扩展致密封失效；反之若出厂时为保护泵而设定较缓的泄压速率，则在加热体流阻因结垢而增大后，原本勉强足够的回吸持续时长已不足以克服增大的流阻将水抽净，导致管路残水逐渐增多、零存水功能失效。尤其是每次操作窗口内泵的瞬时负载状态即隔膜老化程度与加热体的瞬时流阻状态即结垢厚度均在缓慢漂移且逐台设备差异显著，固定标定的切换时序无法针对每台设备在每个短期操作窗口内的具体状态动态调节泵保护力度与回吸彻底性之间的权衡偏好，只能以某一折中值执行，从而使该折中值在设备全生命周期的早期阶段偏向一个风险，在后期阶段偏向另一风险，长期累积效应使两种风险均无法规避，使用寿命大大缩减。

4、为了实现上述目的，根据本发明的一方面，提供一种零存水饮水机回吸泄压自适应控制方法，所述方法包括以下步骤：

5、在零存水饮水机的增压泵及其出口管路上布置传感器，采集增压泵的启停信号、泵出口压力和流量；

6、根据预设时间窗口内的启停信号确定启停负荷，根据泵出口压力和流量计算泵负载水平；

7、结合启停负荷和泵负载水平进行时序分析获取阀压过载系数；

8、根据阀压过载系数自适应调节回吸阀的泄压速率和回吸持续时长。

9、进一步地，在零存水饮水机的增压泵及其出口管路上布置传感器，采集增压泵的启停信号、泵出口压力和流量的方法是：从零存水饮水机的主控电路读取驱动增压泵通断的控制信号，作为增压泵的启停信号；在增压泵出口至回吸阀之间的管路上布置压力传感器，采集泵出口压力；在泵出口下游管路上布置流量传感器，采集流量。

10、所述增压泵为零存水饮水机中驱动水流经加热体并建立出口背压的即热式增压泵，所述回吸阀为串接于增压泵出口下游，用于在停机后将残留水抽回上游水箱的水阀。

11、所述零存水饮水机的工作流程为，取水时增压泵启动，将水经加热体加热后从出水口流出；停止取水时增压泵停机并将回吸阀开启，将增压泵出口至加热体出水口管段内的残留水抽回上游水箱。据此，压力传感器布置于增压泵出口至回吸阀之间是因为该管段是回吸泄压直接作用且泵承受正压骤变为负压冲击的部位，其压力反映本次或新近操作中泵的出口工况；流量传感器布置于泵出口下游则是因为该处流量即本次或新近取水时流经泵与加热体的水量程度，后续用于与泵出口压力共同表征泵当前所驱动的瞬时负载，来反映本次或新近回吸泄压对泵造成冲击的程度。

12、所述启停信号为零存水饮水机主控电路中驱动增压泵通断的控制信号，取水时主控电路输出该信号使增压泵启动，停止取水时撤除该信号使增压泵停机，故该信号本身表征增压泵的启停动作，无需额外布置检测部件即可直接读取。

13、可见，通过以上实施方式，从主控电路读取现成的启停信号、经传感器采集泵出口压力和流量，将增压泵的启停动作与出口工况转化为电信号，为后续步骤确定启停负荷和计算泵负载水平提供输入信号。

14、进一步地，根据预设时间窗口内的启停信号确定启停负荷，根据泵出口压力和流量计算泵负载水平的方法是：

15、等间隔设定采集时刻，从任一时刻逆时间方向回溯预设时间窗口，统计该窗口内启停信号发生的数量记为泵启停量，将泵启停量与预设的基准启停量的比值作为启停负荷；对任一采集时刻，其读取的泵出口压力与预设的基准压力的比值作为相对压力，其读取的流量与预设的基准流量的比值作为相对流量，以相对压力和相对流量的乘积作为该采集时刻的泵负载水平。

16、所述采集时刻为以采集间隔为周期等间隔采集数据所对应的时间点，是本发明后续时序分析的最小时间单位；每个采集时刻均对应一组泵出口压力和流量，并据此计算得到该采集时刻的泵负载水平。所述采集间隔用于确定时序分析的时间分辨率，凡能作为等间隔采集之最小时间单位的时间间隔均可作为采集间隔，本发明不作限定。

17、所述启停负荷为表征零存水饮水机在预设时间窗口内被取水使用密集程度的无量纲值，每次启停信号触发后更新一次启停负荷，任一采集时刻的启停负荷继承于其逆时间方向的上一次更新的启停负荷。所述泵负载水平为表征本次操作中增压泵所驱动瞬时负载大小的无量纲值。

18、增压泵单位时间对水做功的水力功率等于泵出口压力与流量的乘积，其值越大表明泵此刻做功越强、所承受的瞬时负载越重，故泵出口压力与流量的乘积可表征增压泵的瞬时负载。为消除量纲差异先将泵出口压力和流量分别与预设基准相除从而转化为相对压力和相对流量，所述基准压力与基准流量分别标定为初始状态下取水时的泵出口压力与流量，使正常工况下相对压力与相对流量均约等于1。

19、可见，通过以上实施方式，将预设时间窗口内的启停信号转化为量化使用密集程度的启停负荷，将泵出口压力和流量以水力功率为依据转化为量化瞬时负载的泵负载水平，为后续步骤结合启停负荷和泵负载水平进行时序分析获取阀压过载系数提供输入数据。

20、进一步地，结合启停负荷和泵负载水平进行时序分析获取阀压过载系数的方法是：根据泵负载水平在监测时段内的极大值和极小值将监测时段划分为若干上升段，以各个上升段的上升速率为权重对各上升段的峰值加权平均计算获得过载阈值；

21、记一个采集时刻下的泵负载水平与过载阈值的差为过载余量，当泵负载水平小于等于过载阈值则其过载余量取零；

22、将监测时段内过载余量非零且相邻连续的采集时刻归为一个过载段，对一个过载段，记其中过载余量的最大值作为过载深度，记采集时刻的数量为过载历时量，记各启停负荷中最大值为段启停负荷；将过载深度与段启停负荷的乘积记为该过载段的段冲击当量；以各过载段的过载历时量为权重对各冲击当量加权平均计算获得阀压过载系数。

23、所述监测时段为以当前采集时刻为末端、向逆时间方向回溯的一段采集时刻，是本发明唯一的动态窗口，其随当前采集时刻的推进而滑动，每一次仅对当前采集时刻计算一个阀压过载系数，故阀压过载系数为逐采集时刻可得的变量。

24、所述上升段为泵负载水平在监测时段内由一个极小值上升至顺时间方向首个极大值所经历的连续采集时刻，其末端极大值即该次取水中泵负载爬升至的峰值；所述上升速率为该上升段峰值与其起始极小值之差除以段内采集时刻数。所述过载阈值为以各上升段上升速率为权重对各上升段峰值的加权平均值。

25、所述过载阈值是由监测时段内数据自身寻得，不采用固定阈值，因为泵负载水平虽已相对化，但各设备及其管路的负载分布不同，固定阈值对临时数据的敏感性关注会放大增加误判。以上升速率为权重加权而非对峰值简单平均，是因为隔膜所受冲击与负载建立的陡峭程度相关，上升越陡的取水对隔膜越具冲击性，越应主导对正常负载顶点的度量，而上升平缓的取水对隔膜近乎无害，不应等同计入；以上升速率加权后，过载阈值锚定于真正威胁隔膜的取水的负载顶点，仅将负载明显重于此类取水的采集时刻计入过载。该阈值为监测时段特有且随监测时段滑动而更新，在不同设备与不同时期之间均具可比能力。

26、所述过载段为监测时段内过载余量非零且相邻连续的采集时刻所构成的一段，对应一次泵负载持续高于正常顶点的过冲事件；所述过载深度为该过载段内过载余量的最大值，表征该次过冲偏离正常顶点的最大幅度即过冲的严重程度；所述过载历时量为该过载段所含采集时刻的数量，表征该次过冲持续的时间；所述段启停负荷为该过载段各采集时刻的启停负荷中的最大值，表征该次过冲发生时设备已累积的疲劳基线；由于启停负荷为逐取水更新、两次取水间保持不变的阶梯量，单个过载段内启停负荷通常恒定，取最大值既使段启停负荷在该段跨越一次启停负荷更新时仍为单一明确值，又取该段所经历的最高疲劳基线，偏保守而更倾向护泵。

27、所述段冲击当量为过载深度与段启停负荷的乘积，表征该次过冲在其发生时的疲劳基线下对隔膜造成的等效损伤。之所以以段启停负荷逐段乘入而非在最终结果上统一乘一次启停负荷，是因为各次过冲发生的时刻不同、其时设备的使用密集程度即隔膜疲劳基线亦不同：同等过载深度的过冲，发生在使用密集期时隔膜已更接近疲劳极限、造成的损伤更大，发生在使用稀疏期时损伤较小；将段启停负荷作为过载段的属性逐段乘入过载深度，使每一次过冲的损伤都按其自身发生时的疲劳基线计量，比在末端统一乘一个当前启停负荷更贴合疲劳损伤逐次累积的实际。

28、由于阀压过载系数是根据在滑动监测时段内由泵负载水平自身的上升段峰值按上升速率加权动态寻得过载阈值,并以过载段为单位将持续过冲事件的过载深度、过载历时量与段启停负荷综合为段冲击当量后按过载历时量加权平均而获得，因此能有效量化在增压泵隔膜老化程度与管路负载分布逐台不同,随全生命周期缓慢漂移且泵保护需求与回吸彻底要求在窗口内相互对立的条件下，每次过冲事件按其自身疲劳基线计量的累积等效损伤发生程度。由于隔膜疲劳是源于持续冲击逐次累积，因此以不设固定阈值而由数据自身寻得正常负载顶点，以事件为单位区分偶发尖峰与持续过冲再逐段按发生时疲劳基线计量损伤的方式，能对泵阀压过载累积风险进行更贴近隔膜疲劳累积物理实际的拟合，提高过载判定对每台设备当前真实状态的自适应精度，进而降低泵隔膜因泄压过急反复冲击而疲劳开裂，防止及零存水功能因泄压过缓回吸不彻底而失效，延长零存水饮水机的使用寿命并保障其不留存水功能在全生命周期内的长期稳定运行。

29、进一步地，根据阀压过载系数自适应调节回吸阀的泄压速率和回吸持续时长的方法是：设定回吸阀在洁净初始状态下的泄压速率为基准泄压速率，回吸持续时长为基准回吸持续时长；当当前采集时刻的阀压过载系数为零时，回吸阀按基准泄压速率和基准回吸持续时长执行本次回吸泄压；当阀压过载系数非零时，将泄压速率在基准泄压速率基础上随阀压过载系数增大而按比例降低、降低幅度为1%至50%，和/或将回吸持续时长在基准回吸持续时长基础上随阀压过载系数增大而按比例延长、延长幅度为1%至50%，据此执行本次回吸泄压。

30、所述基准泄压速率与基准回吸持续时长为洁净初始状态下标定的，使增压泵不承受过载冲击且回吸恰好将残留水抽净的回吸阀泄压速率与回吸持续时长；泵停机后回吸阀即以当前采集时刻确定的泄压速率与回吸持续时长执行本次回吸泄压，所述当前采集时刻即泵停机时刻。

31、阀压过载系数为零是本方法的天然触发边界，无需另设触发阈值。这是因为过载阈值本身取为监测时段内各次取水负载峰值按上升速率的加权平均值，正常取水时各采集时刻的泵负载水平不超过该阈值，过载余量恒为零，监测时段内不形成过载段，故阀压过载系数精确等于零；只有当近期出现负载明显重于近期典型取水的过冲时，过载余量方才非零，形成过载段而使阀压过载系数脱离零值。零与非零之间的边界由上述运算结构固有地划定，零精确对应泵未受超出常态的过载冲击，非零精确对应隔膜已开始承受威胁，故以阀压过载系数是否为零作为是否偏离基准进行调节的判据。

32、采用随阀压过载系数按比例连续调节而非固定档位切换，是因为阀压过载系数已连续量化了当前泵所需的保护程度，按其比例连续调节可使泵保护力度与回吸彻底性之间的权衡随每次操作的状态平滑匹配，避免档位切换在临界应对突变。

33、可见，通过以上实施方式，将逐采集时刻可得的阀压过载系数转化为对回吸阀泄压速率与回吸持续时长的自适应调节，使每次回吸泄压均在泵保护与回吸彻底之间按当前实际状态动态权衡，从而在同一操作窗口内既避免泄压过急致泵隔膜反复冲击而疲劳开裂、又避免泄压过缓致回吸不彻底而管路残水，以解决固定时序方案无法在短期窗口内动态权衡两者而导致的泵阀压过载累积风险。

34、优选地，将所述过载深度替换为疲劳等效过载深度以计算段冲击当量，所述疲劳等效过载深度的计算方法是：对一个过载段，将该过载段内各采集时刻的过载余量分别取预设疲劳指数次幂后求算术平均，将所得算术平均值取预设疲劳指数的倒数次幂，作为该过载段的疲劳等效过载深度；将疲劳等效过载深度与段启停负荷的乘积作为该过载段的段冲击当量。

35、所述疲劳等效过载深度为对过载段内各采集时刻的过载余量以预设疲劳指数为指数所取的幂平均值，即将各过载余量分别取疲劳指数次幂、求算术平均、再取疲劳指数的倒数次幂所得的值，其量纲与过载余量一致，仍表征该次过冲偏离正常顶点的等效幅度。

36、以疲劳等效过载深度替代过载余量的最大值作为过载段的过载深度，是为了使该值更贴合隔膜的实际疲劳损伤。其一，隔膜材料的应力-寿命特性呈幂律关系，即在恒幅应力下达到疲劳失效的循环次数与应力幅的疲劳指数次幂之积近似为常数，故疲劳损伤随过冲幅度超线性增长，深过冲造成的损伤远大于浅过冲；将过载余量取疲劳指数次幂即计入了这一超线性致损效应。其二，将段内各采集时刻的过载余量幂次后求平均、再取倒数次幂，所得即与该段变幅过冲造成等量疲劳损伤的等效恒幅过载幅度，相比仅取单点最大值，它计入了过载段内全部采集时刻的损伤贡献，对该次过冲的实际致损程度拟合更精确。

37、优选地，其中，本发明中所有未定义的变量，若未有明确定义，均可为人工设置的阈值。

38、本发明还提供了一种零存水饮水机回吸泄压自适应控制系统，所述一种零存水饮水机回吸泄压自适应控制系统包括：处理器、存储器及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述一种零存水饮水机回吸泄压自适应控制方法中的步骤，所述一种零存水饮水机回吸泄压自适应控制系统可以运行于桌上型计算机、笔记本电脑、掌上电脑及云端数据中心等计算设备中，可运行的系统可包括，但不仅限于，处理器、存储器、服务器集群，所述处理器执行所述计算机程序运行在以下系统的单元中：

39、传感数据采集单元，用于在零存水饮水机的增压泵及其出口管路上布置传感器，采集增压泵的启停信号、泵出口压力和流量；

40、泵负载表征单元，用于根据预设时间窗口内的启停信号确定启停负荷，根据泵出口压力和流量计算泵负载水平；

41、阀压过载分析单元，用于结合启停负荷和泵负载水平进行时序分析获取阀压过载系数；

42、自适应调节单元，用于根据阀压过载系数自适应调节回吸阀的泄压速率和回吸持续时长。

43、本发明的有益效果为：本发明提供一种零存水饮水机回吸泄压自适应控制方法及系统，由于阀压过载系数是根据在滑动监测时段内由泵负载水平自身的上升段峰值按上升速率加权动态寻得过载阈值,并以过载段为单位将持续过冲事件的过载深度、过载历时量与段启停负荷综合为段冲击当量后按过载历时量加权平均而获得，因此能有效量化在增压泵隔膜老化程度与管路负载分布逐台不同,随全生命周期缓慢漂移且泵保护需求与回吸彻底要求在窗口内相互对立的条件下，每次过冲事件按其自身疲劳基线计量的累积等效损伤发生程度。以事件为单位区分偶发尖峰与持续过冲再逐段按发生时疲劳基线计量损伤的方式，对泵阀压过载累积风险进行更贴近隔膜疲劳累积物理实际的拟合，提高过载判定对每台设备当前真实状态的自适应精度，进而降低泵隔膜因泄压过急反复冲击而疲劳开裂，防止及零存水功能因泄压过缓回吸不彻底而失效，延长零存水饮水机的使用寿命并保障其不留存水功能在全生命周期内的长期稳定运行。