一种建筑节能给排水智能控制系统

技术领域

本发明涉及电信号处理领域，具体涉及一种建筑节能给排水智能控制系统。

背景技术

为了更好贯彻环境保护、节能减排的可持续发展理念，建筑节能给排水的设计可以在满足合理舒适要求的前提下，通过技术减少水耗，提高水源的使用效率，其中变频供水技术是当前建筑物节能供水的重要形式，变频水泵可采用无冲击切换、低频启动等多种控制模式，可根据负荷变化及时地调整水泵的转速，维持水流的平稳性，从节能角度看，变频水泵的工作电流相对工频水泵较小，因而其整体的能耗水平更低，然而变频水泵可能会由于传感器反馈压力不准确或者变频器输出频率不稳定，导致供水水流不稳定，造成水资源浪费，其中后者通过更换与水泵电机功率相符的变频器即可，前者压力反馈不准确是由于压力信号转换为电信号时，总是不可避免受到噪声信号干扰，与传感器本身无关，因此需要在传感器压力信号输入过程中消除噪声干扰。

传统电信号去噪算法是抑制偏离正常测量值的离群误差，获取低频的测量数据，但实际压力传感器采集的电信号往往与噪声的频谱差异不大，传统滤波或阈值算法在对压力传感器采集到的电信号进行去噪时精确度并不高，同时会出现对有效信号存在噪声损伤的情况，而小波去噪算法在非平稳、非周期信号上的应用也具有较大局限性，对信号的滤波去噪往往达不到理想的效果，从而无法保证变频水泵的正常工作。

发明内容

为了解决现有技术中对压力传感器采集到的电信号进行去噪时精确度并不高，对信号的滤波去噪往往达不到理想的效果，从而无法保证变频水泵的正常工作的问题，本发明提供一种建筑节能给排水智能控制系统，包括传感器、处理器以及控制器，传感器用于采集连续时刻的管网压力信号；处理器包括信号分析模块和信号处理模块；信号分析模块用于接收传感器采集的管网压力信号，获取每个压力信号的特征连续性、离散连续性、趋势连续性以及水压波动连续性；信号处理模块，获取每个信号的噪声干扰程度对每个信号进行滤波，得到去噪后的压力信号，并将去噪后的压力信号发送到控制器；控制器根据接收到的压力信号对变频水泵进行给排水控制。本发明通过噪声干扰程度作为自适应滤波的元素权重，使去噪后的信号可信度更高，变频水泵的流量控制更为稳定。

本发明的采用如下技术方案，一种建筑节能给排水智能控制系统，包括：

传感器，用于采集设定时间段内管网水压的压力信号集；

处理器，用于对传感器采集到每个时间段内的压力信号集进行去噪；

控制器，利用处理器去噪后的压力信号集对管网中的变频水泵进行控制；

其中，所述处理器还包括：

信号分析模块，利用传感器采集的压力信号集中每个压力信号的幅值以及频值获取每个压力信号的特征连续性；利用每个压力信号的幅值点获取每个压力信号的离散连续性；

根据管网结构对压力信号的影响因子获取每个压力信号的能量损失，利用获取的每个压力信号的能量损失获取每个压力信号的趋势连续性；

根据每个压力信号对应时刻内管道的气压获取每个压力信号的气压变化程度，根据每个压力信号的气压变化程度获取每个压力信号的水压波动连续性；

信号处理模块，根据信号分析模块中得到每个压力信号集中每个压力信号的特征连续性、离散连续性、趋势连续性以及水压波动连续性获取每个信号的噪声干扰程度，利用每个信号的噪声干扰程度对压力信号集中每个压力信号进行去噪，得到去噪后的压力信号集。

进一步的，一种建筑节能给排水智能控制系统，获取每个压力信号的特征连续性的方法为：

获取每个压力信号与其上一个压力信号之间的幅值差值以及频值差值；

对每个压力信号与其上一个压力信号之间幅值差值与频值差值的比值进行反三角函数转化，得到每个压力信号的特征连续性。

进一步的，一种建筑节能给排水智能控制系统，获取每个压力信号的离散连续性的方法为：

对每个压力信号的幅值进行趋势项拟合，得到每个压力信号的拟合值；

获取每个压力信号的拟合值与其幅值的差值绝对值；

根据每个压力信号对应的差值绝对值和上一个压力信号对应的差值绝对值之间的差值，与每个压力信号对应的时刻和上一个压力信号对应时刻之间差值的比值；

对该比值进行反三角函数转化，得到每个压力信号的离散连续性。

进一步的，一种建筑节能给排水智能控制系统，管网结构对压力信号的影响因子的获取方法如下：

其中，E表示管网结构对压力信号的影响因子，L表示管网中的管路长度，Z表示管网中管路口径变化的总次数，

进一步的，一种建筑节能给排水智能控制系统，获取每个压力信号的能量损失的方法为：

以每个压力信号的拟合值为指数函数的底数，管网结构对压力信号的影响因子的倒数为指数函数的指数，构建每个压力信号对应的指数函数；

获取每个压力信号对应的指数函数与每个压力信号拟合值之间的差值，根据该差值与每个压力信号对应的指数函数的比值，得到每个压力信号的能量损失。

进一步的，一种建筑节能给排水智能控制系统，获取每个压力信号的趋势连续性的方法为：

获取每个压力信号的能量损失和上一个压力信号的能量损失之间的差值，与每个压力信号对应时刻和上一个压力信号对应时刻之间差值的比值；

对该比值进行反三角函数转化，得到每个压力信号的趋势连续性。

进一步的，一种建筑节能给排水智能控制系统，获取每个压力信号的水压波动连续性的过程中，还包括：

根据每个压力信号对应时刻的管网内的水流量以及流速，获取每个压力信号对应时刻的管网内水流截面积；

根据每个压力信号对应时刻的管网内水流截面积与管网截面积，判断每个压力信号对应时刻的管网内是否存在空气；

当不存在空气时，对应压力信号的水压波动连续性为0；

当存在空气时，根据每个压力信号与其相邻压力信号的气压变化程度获取每个压力信号的水压波动连续性。

进一步的，一种建筑节能给排水智能控制系统，每个压力信号的气压变化程度的获取方法为：

利用理想气体状态方程获取每个压力信号对应时刻的管网内的气压；

根据每个压力信号的拟合值与该压力信号对应时刻的管网内气压之差，得到每个压力信号的气压变化程度。

进一步的，一种建筑节能给排水智能控制系统，获取每个压力信号的水压波动连续性的方法为：

获取每个压力信号的气压变化程度和上一个压力信号的气压变化程度之间的差值，与每个压力信号和上一个压力信号之间对应时刻的差值的比值；

对该比值进行反三角函数转化，得到每个压力信号的水压波动连续性。

进一步的，一种建筑节能给排水智能控制系统，获取每个信号的噪声干扰程度的方法为：

获取每个压力信号的特征连续性和离散连续性的均值，与每个压力信号的趋势连续性和水压波动连续性的均值之间的差值；

将该差值的正切函数值作为每个信号的噪声干扰程度。

本发明的有益效果是：本发明通过对压力信号的特征连续性、离散度连续性进行提取来突出噪声在压力信号上的特征，再通过获取管网结构导致水压存在的趋势连续性，以及空气气堵导致水压存在的水压波动连续性，来体现水压波动信号中的低频信息，根据压力信号中的两组连续性趋势和波动因素的两组连续性趋势得到的噪声干扰程度，以此调节自适应平滑滤波内的元素权重，实现去噪的同时还能保留水压波动信息，相比于传统算法而言，去噪效果更为准确，并且结合了如管网结构、空气气堵等实际影响因素，使去噪后的信号可信度更高，变频水泵的流量控制更为稳定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种建筑节能给排水智能控制系统流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，给出了本发明实施例的一种建筑节能给排水智能控制系统流程示意图，包括：

包括传感器101、处理器102以及控制器103，其中：

传感器101用于采集设定时间段内的管网压力信号；

水压力传感器是采用进口扩散硅或陶瓷芯体作为压力检测元件，输出压力信号，传感器压力信号经高性能电子放大器转换成0-10VDC或4-20mA统一输出信号，然后将信号传送到供水系统的变频或仪器仪表控制系统的供水压力，本发明从水压力传感器中截取压力信号。

管网压力信号除了水压本身的波动外，还有大量高频噪声信号，传统信号平滑算法，是利用均值滤波、中值滤波等对信号进行平滑，或通过设置非正常波动阈值，来剔除高频信号，但前者存在无差别平滑，后者存在噪声残留的问题，因此对于信号去噪的期望应是：区别水压波动信号与噪声干扰信号，去噪的同时保留压力信号特征。

处理器102包括信号分析模块和信号处理模块；

信号分析模块，接收传感器采集的管网压力信号，根据每个压力信号与其相邻压力信号的幅值以及频值，获取每个压力信号的特征连续性；对每个压力信号的幅值点进行趋势项拟合，得到每个压力信号的拟合值，根据每个压力信号的拟合值获取每个压力信号的离散连续性；

本发明根据原始压力信号的连续变化特征来获取信号的特征变化，信号特征包含幅值特征、频值特征。

获取每个压力信号的特征连续性的方法为：

获取每个压力信号与其上一个压力信号之间的幅值差值以及频值差值；

对每个压力信号与其上一个压力信号之间幅值差值与频值差值的比值进行反三角函数转化，得到每个压力信号的特征连续性，表达式为：

其中，

除了信号本身的特征连续，为了更好的突出噪声在压力信号上的特征，本发明再计算信号离散度的连续变化，通过对原始压力信号的幅值点进行趋势项拟合，利用最小二乘法，拟合出含有噪声的信号变化趋势曲线，记为

获取每个压力信号的离散连续性的方法为：

获取每个压力信号的拟合值与其幅值的差值绝对值；

根据每个压力信号对应的差值绝对值与上一个压力信号对应的差值绝对值之间的差值，与每个压力信号对应的时刻与上一个压力信号对应时刻之间差值的比值；

对该比值进行反三角函数转化，得到每个压力信号的离散连续性，表达式为：

其中，

本发明进一步考虑到实际信号采集过程中，管网本身存在的压力波动情况，需要说明的是，本发明中不考虑变频水泵本身故障、异常所导致的水压变化，仅考虑水泵设备正常状态下，水压力传感器采集压力信号时，管网内部影响水压变化的不可避免因素，主要为管路急变、用户用水、内部空气气堵三个影响因素。

首先获取建筑管网至变频水泵处的管路口径变化，以及弯通数量，管路口径变化会导致水流在大口径管道进入小口径管道，以及经过弯通时，会增加水的摩擦阻力，导致水压会变小，每一次冲击管道接口、弯通时都会产生能量损失，且初始压力越大，惯性越大，损失值越大。

获取管网结构对压力信号的影响因子，利用该影响因子获取每个压力信号的能量损失；根据每个压力信号与其相邻压力信号的能量损失及拟合值，获取每个压力信号的趋势连续性；

设该管路总长度为L，若该段管路沿路口径不变，且没有弯通，那么其不产生水压变化，影响因子为1，但若存在口径变化以及弯通，则管网结构对压力信号的影响因子为：

其中，E表示管网结构对压力信号的影响因子，L表示管网中的管路长度，Z表示管网中管路口径变化的总次数，

式中

该影响因子是管网本身固定的结构特征，实际上初始水压不同时，该影响因子对水压的影响程度不同，初始水压越大时，水流在口径变化处、弯通处的惯性越大，则能量损失越大；初始水压越小时，水流在口径变化处、弯通处的惯性越小，能量损失也越小。

获取每个压力信号的能量损失的方法为：

以每个压力信号的拟合值为指数函数的底数，管网结构对压力信号的影响因子的倒数为指数函数的指数，构建每个压力信号对应的指数函数；

获取每个压力信号对应的指数函数与每个压力信号拟合值之间的差值，根据该差值与每个压力信号对应的指数函数的比值，得到每个压力信号的能量损失。

影响因子会造成能量损失，因此必然小于1，且损失值随着初始值增大而呈现非线性增大，为了描述这一特征，本发明用指数函数来获取管网内水压能量损失程度：

其中，

需要说明的是，本发明仅是为了获取连续的趋势变化，因此估测值符合逻辑关系即可，并不需要准确估测，则获取每个压力信号的趋势连续性的方法为：

获取每个压力信号的能量损失与上一个压力信号的能量损失之间的差值，与每个压力信号对应时刻和上一个压力信号对应时刻之间差值的比值；

对该比值进行反三角函数转化，得到每个压力信号的趋势连续性，表达式为：

其中，

假设建筑内某处每时刻有用户同时用水，用水量变化会导致总管网水泵对各个分水泵流量产生微弱影响，本发明需要在变频水泵压力传感器处安装一个流量、流速监测传感器。

根据每个压力信号的拟合值以及每个压力信号对应时刻内管道的气压，获取每个压力信号的气压变化程度，根据每个压力信号与其相邻压力信号的气压变化程度获取每个压力信号的水压波动连续性；

流体力学上流量的方程为：Q=Av，Q代表流量，A代表水流的截面面积，v则代表水流速度，流速单位为立方米每秒，以该流速下管网的截面积为满水状态时的标准水流截面积，记为S，那么当流速低于每秒起码流过一个单位管网截面积的时候，代表此时水流在该时刻的截面积小于管网内截面积，管网内存在空气；

获取每个压力信号的水压波动连续性之前，还包括：

根据每个压力信号对应时刻的管网内的水流量以及流速，获取每个压力信号对应时刻的管网内水流截面积；

根据每个压力信号对应时刻的管网内水流截面积与管网截面积，判断每个压力信号对应时刻的管网内是否存在空气；

当不存在空气时，对应压力信号的水压波动连续性为0；

当存在空气时，根据每个压力信号与其相邻压力信号的气压变化程度获取每个压力信号的水压波动连续性。

当管网内不存在空气时，则本发明中所考虑的管网中的气堵影响不存在，则对应压力信号的水压波动连续性为0，当管网内存在空气时，则本发明需要考虑管网内的气堵影响，从而获取每个压力信号的水压波动连续性。

根据理想气体状态方程，每个压力信号的气压变化程度的获取方法为：

利用理想气体状态方程获取每个压力信号对应时刻的管网内的气压；

根据每个压力信号的拟合值与该压力信号对应时刻的管网内气压之差，得到每个压力信号的气压变化程度，表达式为：

标准大气压下，理想气体状态方程原式为：

获取每个压力信号的水压波动连续性的方法为：

获取每个压力信号的气压变化程度与上一个压力信号的气压变化程度之间的差值，与每个压力信号和上一个压力信号之间对应时刻的差值的比值；

对该比值进行反三角函数转化，得到每个压力信号的水压波动连续性，表达式为：

其中，

信号处理模块，根据信号分析模块中得到的每个信号的特征连续性、离散连续性、趋势连续性以及水压波动连续性，获取每个信号的噪声干扰程度；根据每个信号的噪声干扰程度对每个信号进行滤波，得到去噪后的压力信号；将去噪后的压力信号发送到控制器；

每个压力信号的特征连续性、离散度连续性均为通过已采集的压力信号所得，其包含噪声与原始水压波动信号，既包含高频，也包含低频信息。

由于管网急变导致的用户用水波动信号，体现在每个压力信号处的趋势连续性，以及描述空气气堵导致的用户用水波动的水压波动连续性均只包含低频信息。

获取每个信号的噪声干扰程度的方法为：

获取每个压力信号的特征连续性和离散连续性的均值，与每个压力信号的趋势连续性和水压波动连续性的均值之间的差值；

获取该差值的正切函数值，得到每个信号的噪声干扰程度，表达式为：

其中，

本发明利用自适应滤波，设定滤波尺寸为Y，Y为奇数，将每个压力信号作为中心信号，得到的平滑结果应为Y滤波内所有信号幅值的加权求均值，每个压力信号的权重为（1－噪声干扰程度），即噪声干扰程度越大，则该信号的可信度越低，权重越低。

根据自适应滤波核进行信号去噪，得到平滑效果较好的水压力变化曲线，将滤波去噪后的压力信号发送到控制器中，进而对于变频水泵而言，可以得到准确的压力反馈结果。

控制器103根据接收到的压力信号对变频水泵进行给排水控制。

本发明通过处理器对是水压压力信号进行滤波去噪，并将去噪后的水压信号转化为数字信号传输至控制器，控制器在接收到存在水压波动部分的反馈信号后，通过改变电机转速从而控制管网内水压向设定值或平均水压趋近，水压波动变高，则降低电机转速，反之水压波动变低则增大电机转速，再结合闭环控制系统实现恒压供水。

本发明通过对压力信号的特征连续性、离散度连续性进行提取来突出噪声在压力信号上的特征，再通过获取管网结构导致水压存在的趋势连续性，以及空气气堵导致水压存在的水压波动连续性，来体现水压波动信号中的低频信息，根据压力信号中的两组连续性趋势减去波动因素的两组连续性趋势得到的噪声干扰程度，以此调节自适应平滑滤波内的元素权重，实现去噪的同时还能保留水压波动信息，相比于传统算法而言，去噪效果更为准确，并且结合了如管网结构、空气气堵等实际影响因素，使去噪后的信号可信度更高，变频水泵的流量控制更为稳定。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。