利用真空壓力變送器調(diào)節(jié)變頻器對(duì)掃槽泵進(jìn)行閉環(huán)控制

 

一、泵機(jī)配備變頻的原因

        在用擺動(dòng)轉(zhuǎn)子泵掃槽車剩余底油時(shí)，由于掃艙軟管口徑較小,在全液流動(dòng)時(shí),易產(chǎn)生泵進(jìn)口真空過(guò)高，導(dǎo)致泵振動(dòng)、噪聲增大的問(wèn)題。采用擺動(dòng)轉(zhuǎn)子泵掃艙是進(jìn)行氣液混輸，因此必須考慮泵的汽蝕性能，在槽車底油多時(shí)，掃艙軟管吸入飽滿，泵進(jìn)口真空度高，當(dāng)真空超過(guò)泵汽蝕點(diǎn)后，泵的振動(dòng)、噪聲將增大。因此擺動(dòng)轉(zhuǎn)子泵掃艙時(shí)需隨時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)的運(yùn)行速度,以便控制泵進(jìn)口的真空度 ,達(dá)到泵平穩(wěn)工作,提高效率,同時(shí)減少噪音的效果.本案例采取配置變頻器及三暢儀表壓力變送器，利用PID 控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)。

 

二、PID控制器原理

       PID控制器(Proportion Integration Differentiation比例-積分-微分控制器 )由比例控制單元P、積分控制單元I和微分控制單元D組成，并分別通過(guò)參數(shù)K，Ti，Td的設(shè)定把收集到的數(shù)據(jù)和預(yù)設(shè)的經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)將比較的結(jié)果計(jì)算產(chǎn)生新的值作為輸入信號(hào)。這個(gè)新的輸入值的目的是可以讓系統(tǒng)穩(wěn)定在設(shè)定參考值的一定范圍內(nèi)，這樣可以使系統(tǒng)更加準(zhǔn)確，更加穩(wěn)定。PID控制系統(tǒng)它的特點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單，使用方便、適用性強(qiáng)等特點(diǎn)。

 

       1.PID具體含義。比例控制單元P的特點(diǎn)是快速反應(yīng)，但是對(duì)具有自平衡性的被控對(duì)象存在靜差。增加積分調(diào)節(jié)單元I后，對(duì)消除靜差起到一定的積極作用，但是卻降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。為了解決這一問(wèn)題，必須要在偏差出現(xiàn)前，對(duì)偏差量做出反應(yīng)，也要對(duì)偏差的變化趨勢(shì)做出判斷并加以控制，便增加微分控制單元D。綜上所述，為達(dá)到控制效果，要選擇PID控制器。PID是以比例、積分、微分函數(shù)的算法而命名的，這三個(gè)參數(shù)是取得高性能算法的關(guān)鍵。這三種算法是：

 

       1.1比例控制單元:按比例反映系統(tǒng)的偏差。加大比例系數(shù),可以減少系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差,提高系統(tǒng)的控制精度,加快響應(yīng)速度。但是過(guò)大的比例系數(shù)會(huì)造成系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降,甚至系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

       1.2積分控制單元:主要使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差,提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)T,T越小,積分作用越強(qiáng),反之,作用越弱。積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降,動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢.因此,積分環(huán)節(jié)通常與其他兩種調(diào)節(jié)器結(jié)合使用。

       1.3微分控制單元:微分作用反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì),具有預(yù)見(jiàn)性。適當(dāng)?shù)奈⒎终{(diào)節(jié),能改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,減少調(diào)節(jié)時(shí)間.但過(guò)強(qiáng)的微分調(diào)節(jié),對(duì)系統(tǒng)干擾不利。

 

       2.三暢儀表的PID參數(shù)設(shè)定。過(guò)程PID用于壓力過(guò)程變量的控制。比例環(huán)節(jié)產(chǎn)生與偏差成比例變化的控制作用來(lái)減少偏差；積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，積分時(shí)間越大，積分的作用越弱，積分時(shí)間越短，積分作用越強(qiáng)；微分環(huán)節(jié)通過(guò)偏差的變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)偏差信號(hào)的變化，并在偏差變大之前產(chǎn)生抑制變差變化的控制信號(hào)，從而加快控制的響應(yīng)速度。

 

PID參數(shù)調(diào)整原則：

         比例參數(shù)的調(diào)節(jié)。先將比例增益從較小值如（0.20）增加直至反饋信號(hào)開(kāi)始震蕩，然后減少40-60%使反饋信號(hào)穩(wěn)定，比例系數(shù)P設(shè)置較大值會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，頻繁震蕩；P值設(shè)置較小，又會(huì)使系統(tǒng)敏感性下降。恰當(dāng)?shù)脑O(shè)置比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)有足夠的靈敏度但又不會(huì)反應(yīng)過(guò)于靈敏，一定時(shí)間的延遲要通過(guò)對(duì)積分時(shí)間設(shè)置來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)積分、微分參數(shù)的調(diào)節(jié)。將積分時(shí)間從較大值（如20.00s）直至反饋信號(hào)開(kāi)始震蕩，然后增加10-50%使反饋信號(hào)穩(wěn)定。如果通過(guò)比例、積分參數(shù)的調(diào)節(jié)還是收不到理想的控制要求，而且系統(tǒng)對(duì)超調(diào)和動(dòng)態(tài)誤差要求較高，就需要增加微分單元（有的系統(tǒng)要求時(shí)間滯后，才需要附加這個(gè)參數(shù)），可以通過(guò)調(diào)節(jié)微分時(shí)間參數(shù)，初次調(diào)試時(shí)要從小到大，逐步調(diào)節(jié)的方法，直到系統(tǒng)穩(wěn)定。

 

3.本案采取的算法本案例采取PID增量式算法 ,具體算法如下:

離散化公式：

 

 

其中:u(k)為第k次采樣時(shí)刻控制器的輸出；e(k)、ec(k)分別為系統(tǒng)的偏差、偏差變化量；kp、ki、kd分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系。PID控制通過(guò)對(duì)這三個(gè)參數(shù)的整定,從而獲得良好的系統(tǒng)控制性能。增量型控制,即輸出量是兩個(gè)采樣周期,控制器的輸出增量△u(k)由下式可得:

 

其中 T1為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)；T為采樣周期。上公式稱為PID增量是控制算式,增量式算式具有下速優(yōu)點(diǎn) :

(1)計(jì)算機(jī)只輸出控制增量,即執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的變化部分,誤動(dòng)作影響小。

(2)在進(jìn)行手動(dòng)和自動(dòng)切換時(shí) ,控制量沖擊小,能較平滑的過(guò)度。

(3)增量算法中增量△u(k)只受#近的第k次的輸出數(shù)值，這樣運(yùn)算就可以通過(guò)加權(quán)算法來(lái)處理，可以得到理想的控制效果，由于沒(méi)有累加，消除了當(dāng)前偏差存在時(shí)發(fā)生飽和的危險(xiǎn)。

 

 

三、現(xiàn)場(chǎng)變頻器工作原理

        變頻調(diào)速的基本控制方式，在電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)，一個(gè)重要的因素是希望保持電機(jī)每極磁通量￠m為額定值￠m太小，電機(jī)的鐵心沒(méi)有得到充分的利用，浪費(fèi)較大；如果增加￠m，會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)擊的繞組過(guò)熱而損毀電機(jī)，為此，通過(guò)三相異步電機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值公式來(lái)看；

 

式中Eg為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)； f1為定子頻率； N1為定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)； KN1為基波繞組系數(shù)；

（1）基頻（額定頻率）以下調(diào)速：通過(guò)公式可以看出，要保持￠m不變，當(dāng)頻率f1從額定值向下調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)降低Eg，從而使得Eg/ f1=常值，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”的性質(zhì)。

（2）基頻以上調(diào)速：頻率可以從額定頻率往上增高，但那時(shí)電壓卻不能增加的比額定電壓還高，#多只能保持在額定電壓下工作，通過(guò)公式可以看出￠m與f1 成反比的降低，屬于“恒功率調(diào)速”的性質(zhì)。

 

        本案中系統(tǒng)采用一臺(tái)變頻器控制一臺(tái)掃槽泵運(yùn)行方式，安裝在掃槽泵進(jìn)口真空壓力變送器，用于檢測(cè)掃槽泵進(jìn)口真空壓力，將壓力轉(zhuǎn)化為4～20mA的電流信號(hào)，提供變頻器，經(jīng)過(guò)變頻器模擬量輸入，變頻器根據(jù)給定的真空壓力設(shè)定值與實(shí)際的檢測(cè)值進(jìn)行PID運(yùn)算，變頻器調(diào)節(jié)掃槽泵電機(jī)的供電電壓和頻率。變頻器是掃槽泵電機(jī)的控制設(shè)備，能按照真空壓力恒定需要將0～50HZ的頻率信號(hào)供給掃槽泵電機(jī)，調(diào)整其轉(zhuǎn)速。本系統(tǒng)采用PID控制的應(yīng)用宏，進(jìn)行閉環(huán)控制，采用三暢儀表壓力變送器，變頻器作為中心控制裝置，實(shí)現(xiàn)所需功能。

       在泵進(jìn)口真空度較低時(shí)，提高轉(zhuǎn)速，增大泵的排量；泵進(jìn)口較高時(shí)，降低轉(zhuǎn)速，減少排量，從而達(dá)到控制泵進(jìn)口真空的目的。避免在泵進(jìn)口真空較高時(shí)，泵發(fā)生汽蝕，產(chǎn)生振動(dòng)、噪聲。避免在未安裝變頻器的情況下,泵進(jìn)口真空較低時(shí)，掃艙吸入速度慢，需要人工調(diào)節(jié)提高泵轉(zhuǎn)速，這樣較繁瑣操作。

 

四、結(jié)語(yǔ)

        在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，變頻器采用 PID 調(diào)節(jié)，可以減輕操作的繁瑣性，使泵工作更加平穩(wěn)，提高了泵的掃艙效果，是一種較好的掃艙作業(yè)控制方式。